引言

　　光電軸角編碼器(以下簡稱光電編碼器)，它是以高精度計量圓光柵為檢測元件，通過光電轉換及相應硬件處理電路將輸入的角位置信息轉換成相應的數字代碼，并可與計算機等控制系統及顯示裝置相連接，實現數字化測量、控制與顯示。

　　光電軸編碼器具有較高的性能價格比，且具有結構緊湊、可靠性高、精度高等優點，廣泛地應用于數控機床、機器人、雷達、光電經緯儀、地面指揮儀和高精度閉環調速系統等諸多領域，是自動化設備理想的角度和速度傳感器，它已成為檢測旋轉角度和線性位置的最為重要的手段之一。

　　本文主要介紹光電編碼器的選型原則。

　　光電編碼器類型簡介

　　光電編碼器按所使用的光學碼盤圖案通常分為增量式、絕對式與混合式三種，其中增量式編碼器主要用于測量旋轉軸速度，絕對式編碼器主要用于測量旋轉軸的空間位置，混合式編碼器是增量式編碼器與絕對式編碼器的組合，具備增量編碼器和絕對式編碼器的一些特點。光電編碼器后端加入處理芯片之后，三種光電編碼器都具有測量旋轉軸速度與空間位置的功能。具體光柵圖案見圖1～圖3，其原理已有很多文章介紹，這里不再贅述。

　　光電編碼器選型原則

　　目前，使用光電編碼器測量角度和長度已經是成熟技術。在進行光電編碼器選型時主要從以下幾個方面考慮：

　　光電編碼器類型;

　　外形;

　　分辨率、精度;

　　信號輸出形式。

　　光電編碼器類型選擇

　　光電編碼器通常用于角度測量，并且經過機械裝置轉換后也可以進行長度的測量，因此光電編碼器在角度和長度測量領域應用很廣泛。

　　測長度還是測角度;測長度如何通過機械方式轉換;測量范圍是360°以內(單圈)，還是超過360°(多圈);轉動方向是一個方向旋轉循環工作，還是正反向方向循環工作;測量速度還是測量角位置，這都是在選擇光電編碼器時需要事先確定的。

　　角度測速常采用增量式編碼器，其具有體積小、價格低等優點，且可以無限累加測量，因此目前增量式編碼器在測速應用方面仍處于無可取代的主流位置。增量式編碼器在轉動時輸出脈沖，通過計數裝置來計算速度和位置。當編碼器斷電時，依靠計數裝置的內部記憶來保存位置，因此斷電后，編碼器不能有任何轉動。當再次通電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有脈沖干擾，否則，計數裝置記憶的零點就會偏移，而且這種偏移量是不確定的，只有錯誤的生產結果出現后才能發現。解決這個問題的方法是增加參考點，編碼器每經過參考點，用參考標記修正計數裝置的計數值。在經過參考點以前，是不能保證位置的準確性的。因此，在工業控制中有每次操作先找參考點的操作步驟。這樣的操作對有些工控項目比較麻煩，甚至有些項目不允許開機尋找參考點，并且對位置、零位有嚴格要求，則這樣的項目就應該選用絕對式編碼器。

　　絕對式編碼器輸出代碼具有位置唯一性(單圈或多圈)，經過后續控制系統進行運算后不僅可以測位置也可以測速。絕對式編碼器光柵碼盤上有許多條刻線，每條刻線依次以2線、4線、8線、16線……排列，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每條刻線的亮、暗，獲得一組從20～2n-1的唯一的二進制編碼(格雷碼)，這就稱為n位絕對式編碼器。絕對式編碼器輸出角度信息由光柵碼盤機械位置決定，因此每個位置具有唯一性，它無需記憶，無需找參考點，不受斷電、干擾的影響。所以，光電編碼器的抗干擾性、數據的可靠性大大提高。由于絕對式編碼器在位置定位方面明顯地優于增量式編碼器，已經越來越多地應用于工控定位中。

　　絕對式編碼器又分為單圈絕對式編碼器和多圈絕對式編碼器。

　　當編碼器主軸轉動超過360°時，角度編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼的唯一原則，這樣的編碼器只能用于旋轉范圍在360°以內的測量，稱為單圈絕對式編碼器。

　　如果要測量旋轉超過360°角度范圍，就要用到多圈絕對式編碼器。運用鐘表齒輪的傳動原理，當主光柵碼盤旋轉時，通過齒輪傳動另一組碼盤(或多組齒輪、多組碼盤)，在單圈編碼的基礎上再增加圈數的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對式編碼器就稱為多圈絕對式編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復，且無需記憶。多圈絕對式編碼器在長度定位方面的優勢明顯，已經越來越多地應用于工控定位中。

　　光電編碼器機械外形選擇

　　光電編碼器機械外形選擇主要包括以下幾方面：

　　軸的連接形式：空心軸(軸套型連接)、實心軸(通過軟性聯軸器連接);

　　軸徑;

　　定位止口，安裝孔位;

　　電纜出線方式;

　　安裝空間體積;

　　工作環境防護等級。現場條件惡劣的，必須使用金屬光柵的旋轉編碼器，通常金屬光柵每圈脈沖數一般不大于1000個。

　　光電編碼器分辨率、精度選擇

　　在閉環控制的pwm伺服系統中，對測速裝置的要求比較高，通常應滿足：

　　分辨率。分辨率表征測量裝置對轉速變化的敏感度，當測量數值改變，對應轉速由n1變為n2，則分辨率q定義為

　　q=n2-n1 (r/min) (1)

　　q值愈小，說明測量裝置對轉速變化愈敏感，亦即其分辨率愈高。為了擴大調速范圍，使電動機在盡可能低的速度下運行，必須有很高的分辨率。

　　精度。精度表示偏離實際值的百分比，即當實際轉速為n時測速精度為：

　　影響測速精度的因素有：測速原件的制造誤差、安裝誤差及對脈沖計數時總有的±1個脈沖的誤差。

　　檢測時間。所謂檢測時間，即連續兩次速度采樣的間隔時間t，t愈短愈有利于實現快速響應。

　　信號輸出形式

　　編碼器信號輸出的電路結構形式常見有推挽輸出、電壓輸出、集電極開路(oc門)輸出、長線驅動器輸出等。其輸出方式應和控制系統的接口電路相匹配。根據編碼器輸出信號關系可分為方波信號輸出、正弦信號輸出、并行格雷碼輸出、并行二進制輸出、串行輸出等。

　　對增量式編碼器，其輸出信號一般為互差90°電角度的信號和參考標記信號，信號線較少。在距離較近的情況下，可以選擇電壓輸出、推挽輸出或集電極開路輸出。輸出帶反向信號的抗干擾要好一些，即輸出a+、a-，b+、b-，z+、z-信號，每路同相和反相信號在電纜中的傳輸是對稱的，可以抑制共模干擾。對于長距離傳輸，一般選擇帶驅動器輸出，由于驅動器具有差分功能，能夠更好抑制長線傳輸干擾。

　　對于絕對式編碼器，其輸出為絕對角度信息(多位格雷碼或二進制碼)，輸出形式可以采用并行輸出或串行輸出。

　　采用并行方式輸出就是在接口上有多點高低電平輸出，以代表角度代碼的1或0，對于位數不高的絕對式編碼器，一般就直接以此形式輸出角度代碼，可直接進入plc或上位機的i/o接口，輸出即時、連接簡單。輸出電路選擇上可以有電壓輸出、推挽輸出、集電極開路輸出或長線驅動器輸出。

　　但是并行輸出有如下問題：

　　盡量使用格雷碼。格雷碼在任意兩個相鄰的數之間轉換時，只有一個數位發生變化，大大地減少了由一個狀態到下一個狀態時邏輯的混淆。如果采用二進制碼，在數據刷新時可能有多位變化，讀數會在短時間里造成錯碼，這就需要有相應電路來判斷然后讀取角度數據;

　　所有接口必須確保連接好，如有個別連接不良，將造成錯碼;

　　傳輸距離較近，一般在10米以內，對于復雜環境，需要有隔離;

　　由于位數較多，因此信號線多，故障點增加。

　　串行輸出就是通過約定，在時間上有先后的數據輸出，同時對每一個數據幀的格式都進行規定，這種約定稱為通訊協議，其連接的物理形式有rs232、rs422、rs485等。串行輸出連接線少，傳輸距離遠，一般高位數的絕對式編碼器都是采用串行輸出形式。串行通訊格式有些可以與廠家協商，有些外國公司產品是統一的，如海德漢公司的ssi接口輸出以及endat接口等。

　　結語

　　隨著光電軸角編碼器集成化、小型化以及研制的更趨完善，其產品也將在測控領域占領更大的市場。

　　本文綜述了增量式、絕對式光電軸編碼器的選型原則，希望能夠對光電編碼器在工程中的推廣應用起到積極作用，同時歡迎批評指正。