旋轉式光電編碼器的設計動(dòng)向
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第一，設計新產(chǎn)品。首先是發(fā)展基型產(chǎn)品，上述編碼器廠(chǎng)商先以設計、生產(chǎn)增量式編碼器和單圈絕對式旋轉編碼器居多，近年來(lái)隨著(zhù)應用領(lǐng)域的拓展，設計多圈絕對式編碼器與混合式編碼器增多。如多摩川推出的混合式編碼器，其包含增量式編碼器和輸出24位編碼信號的單圈絕對式編碼器，具有磁極定位功能，在用于伺服運動(dòng)控制時(shí)，能快速檢測伺服電機轉子磁極位置角，特別對大功率伺服電機既能提高初始化的定位精度，又可使伺服電機提高輸出力矩，同時(shí)對位置控制和速度計算也都極為方便。其次是設計專(zhuān)用產(chǎn)品。例如，中達電通（臺達集團）設計了CNC專(zhuān)用增量式編碼器和伺服電機專(zhuān)用型編碼器，新推出CNC主軸專(zhuān)用的CS7系列編碼器，設計的結構緊湊、外型小巧，分辨率為1024p/r，采用線(xiàn)驅動(dòng)輸出，轉速提升到8000r/min,從而可配合機床行業(yè)主軸的高轉速，信號輸出的頻率響應為300KHZ,可提高數控系統的整體響應速度，以達到高精度控制的要求。宜科（天津）電子公司設計了電梯專(zhuān)用編碼器和重工業(yè)用的重載型增量式編碼器，后者據稱(chēng)采用最新的歐洲電氣和機械設計技術(shù)，使其可承受最大軸向負荷為80N、最大徑向負荷150N,最大轉速為6000r/min,軸承壽命達109轉，工作溫度20~90℃。倍加福針對我國風(fēng)力發(fā)電的巨大潛在市場(chǎng)，設計了風(fēng)力發(fā)電用的編碼器。倍加福、圖爾克等還設計了防爆型編碼器，有了3類(lèi)產(chǎn)品：（1）EExd隔爆型，這類(lèi)編碼器設計的外殼堅固，若有可然性氣體進(jìn)入編碼器內被電火花點(diǎn)燃產(chǎn)生爆炸，其火焰被限制在機殼內，不危機外部環(huán)境安全；（2）EExi本安型，這種編碼器的設計是限制電路的電流與電壓，使電路產(chǎn)生的任何火花或熱效應均不能點(diǎn)燃規定的爆炸性氣體環(huán)境；（3）EExna無(wú)火花型，這是最新的防爆技術(shù)，用這種技術(shù)設計的編碼器在正常運行時(shí)不產(chǎn)生火花和電弧，從而保證環(huán)境安全。
第二，優(yōu)化產(chǎn)品結構。旋轉式光電編碼器由光路、電路與機械3部分組成，編碼器生產(chǎn)廠(chǎng)非常注重這3部分的設計與制作。
（1）光路系統：一是光源采用放光二級管LED，設計光聚焦系統，使LED發(fā)射的光成為平行光束，垂直地照射到旋轉碼盤(pán)（動(dòng)光柵）與固定碼盤(pán)（定光柵）上，穿過(guò)這兩個(gè)碼盤(pán)上透光縫隙的光被光敏二極管吸收后輸出模擬電信號給轉換電路進(jìn)行信號處理。由于光路系統對煙霧、塵埃、水蒸氣、機械振動(dòng)等很敏感，所有一般都設計嚴密的防護措施，目前光學(xué)旋轉編碼器設計的防護等級最高為IP65左右，最高工作溫度85℃左右。二是碼盤(pán)材質(zhì)的選用，有玻璃、塑料、不銹鋼，已適合不同的需求，其中玻璃編碼盤(pán)精度高，熱穩定性好，但耐振差;塑料與不銹鋼的精度與熱穩定稍差，但耐振，塑料成本低，可制作經(jīng)濟型的。碼盤(pán)上的光柵一般用沉積很薄的刻線(xiàn)（如在玻璃碼盤(pán)上）、機械刻劃或光刻法制作。三是光柵的設計，增量式與絕對式完全不同。增量（正交）式編碼器：在旋轉碼盤(pán)邊緣部分徑向設計有許多均勻分布的透光縫隙，他們的寬度與間距相等，其設計透光縫隙的多少與加工質(zhì)量將直接影響編碼器的測量精度；在固定碼盤(pán)上有A、B、Z三條縫隙（轉動(dòng)碼盤(pán)有一條縫隙與Z相對應），A、B使輸出兩路正交（電角度相差90°）的方波脈沖信號，經(jīng)計算用于測得電機的轉速、位置（角度）和轉向判別；Z相信號用作參考零位，每轉發(fā)出一個(gè)脈沖用于電機轉子定位、累計轉數。絕對型編碼器：n位絕對型編碼器在旋轉碼盤(pán)上就設計有n條同心圓碼道，碼型采用格雷（GRAY）碼設計，即從碼盤(pán)邊緣向中心的n條碼道上，透光的扇形區數目按20、21、222n-1設計、制作；固定碼盤(pán)上只有徑向一條透光縫隙，其背后對應每一碼道有一光敏二極管，輸出的n位數字碼（格雷碼可轉換成二進(jìn)制碼或BCD碼）代表轉軸某一時(shí)刻的絕對位置，特別適用于監測上電和掉電期間的轉軸位置。這種編碼器，一般廠(chǎng)商設計碼型時(shí)之所以采用格雷碼，是因其兩個(gè)相鄰數之間只有一個(gè)數位發(fā)生變化，誤差??；若用二進(jìn)制碼型，雖其設計簡(jiǎn)單，但制作、安裝要求十分嚴格，否則易出現兩位數誤差。
(2)電路部分：包括編碼器主電路與輸出電路。光敏二極管輸出的信號電平較低，波形也不規則，為了進(jìn)行控制、信息處理與遠傳，須經(jīng)轉換電路發(fā)大、整形。以前轉換電路設計采用分立元件，零部件多、結構復雜、價(jià)貴?，F在已有不少廠(chǎng)商如倍加福等將主電路集成到一片專(zhuān)用集成電路（ASIC）上，采用ASIC設計，不僅抗干擾、耐環(huán)境條件變化、提高檢測精度與速度，而且由于零部件減少、結構緊湊簡(jiǎn)單，使絕對編碼器的價(jià)格下降，據介紹，一般比老型號約降價(jià)20％多。輸出電路形式有多種，Metronix等公司設計了五種類(lèi)型：集電極開(kāi)路輸出，電壓輸出，推挽式輸出，線(xiàn)驅動(dòng)輸出，互補型輸出。為了降低噪音干擾，提高輸出的可靠性，可用推挽式或互補型輸出；當需要長(cháng)距離傳輸時(shí)，可用線(xiàn)驅動(dòng)輸出或互補型輸出。在實(shí)際應用中，有點(diǎn)機器或生產(chǎn)線(xiàn)上需用幾十臺編碼器連接成分布式控制，所以新型的編碼器在電路部分還設計了設定編碼器地址的開(kāi)關(guān)，便于上位控制器隨時(shí)、準確地向該編碼器讀取信息。
（3）機械部分：隨著(zhù)伺服電機轉速的不斷提高，編碼器設計時(shí)一般均考慮能承受的最高轉速，目前一般最高轉速為6000r/min,而圖爾克的編碼器為12000r/min,凸顯其軸與軸承散熱設計的優(yōu)化技術(shù)。一般編碼器采用不銹鋼軸和高精度的軸承，軸有實(shí)心、中空與貫穿型， 便于應對各種應用需求。編碼器殼體一般采用高強度鋁材（OPKON公司采用氧極氧化鋁）。
此外，在優(yōu)化產(chǎn)品結構設計時(shí)，一般廠(chǎng)商還特別關(guān)注小型化、輕量化與密封性。例如軸端與輸出電纜連接處是兩個(gè)密封的薄弱環(huán)節，宣科（天津）公司在軸端采用高級油封，倍加福在電纜連接處的密封設計達到防護等級IP67。
第三，不斷提高分辨率。在數控應用領(lǐng)域，提高編碼器的分辨率一直是市場(chǎng)競爭的焦點(diǎn)。例如，日本FANUC公司精心設計的2iA編碼器分辨率高達16000000p/r，這使伺服電機運動(dòng)非常平滑，為伺服系統實(shí)現納米插補功能的納米控制創(chuàng )造了條件，所謂“納米控制”是伺服系統檢測分辨率為1m時(shí)，插補分辨率可以提高至1nm,這就能大大提高數控機床的加工精度。目前，提高分辨率的方法，一是加大碼盤(pán)直徑，增加光柵的條紋；二是由伺服驅動(dòng)器內基于DSP的編碼器接口電路對增量式編碼器輸出的A、B兩路矩形波脈沖信號進(jìn)行前沿和后沿的檢測，以提高2倍或4倍分辨率；三是也可對增量式編碼器輸出的正弦信號進(jìn)行電子內插，以較低的成本得到較高的分辨率?，F在，美國GPI公司還專(zhuān)門(mén)設計了HR2A增量式編碼器電子學(xué)細分模塊，可獲得1～20倍于編碼器刻線(xiàn)的脈沖數，再經(jīng)4倍頻可獲得80倍的脈沖數。
第四，多樣化的信號傳輸與接口設計。絕對型編碼器的輸出可以是并行的，也可以是串行的。對于為數不多的絕對式光電編碼器一般適用并行輸出，這樣接口電路簡(jiǎn)單，而且通信速率高。但平行輸出需要多芯電纜比串行電纜貴，且傳輸距離受到限制，因此多位數、高精度的編碼器多采用串行輸出?？捎糜诰幋a器的串行總線(xiàn)有專(zhuān)用總線(xiàn)與通用總線(xiàn)，專(zhuān)用總線(xiàn)與接口如一般編碼器設計采用的SSI（同步串行接口）、BISS(雙向數字傳感器接口)、DRIVE-CLIQ(西門(mén)子專(zhuān)用)、ENDAT(海德漢研發(fā)，倍加福、貝加萊、倍福等公司采用)、Hiperface(香港博世力士樂(lè )等公司采用)。通用工業(yè)總線(xiàn)與接口，先前是RS-422/485,現在設計采用現場(chǎng)總線(xiàn)與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)將成趨勢，如倍加福、堡盟等公司設計的編碼器采用了AS-i、CANopen、DeviceNet、Profibus DP等現場(chǎng)總線(xiàn)和POWERLINK、PROFINET、EtherCAT等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。
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