隨著光電子學(xué)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，光電編碼器廣泛用于Ac伺服電動(dòng)機(jī)的速度和位置檢測(cè)。
按脈沖與對(duì)應(yīng)位置(角度)的關(guān)系，光電編碼器通常分為增量式光電編碼器****式光電編碼器及將上述兩者結(jié)合為一體的混合式光電編碼器三類。
按編碼器運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)分，又可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。由于Ac伺服電動(dòng)機(jī)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以借助機(jī)械連接變換成直線運(yùn)動(dòng)形式，反之亦然。所以，直線式光電編碼器用得較少，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)方式都有利于使用直線式光電編碼器的場(chǎng)合才被采用。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器容易做成全封閉型，實(shí)現(xiàn)小型化，傳感長(zhǎng)度不受限制，有較強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境能力，因而在實(shí)際中獲得了廣泛的應(yīng)用。下面將主要討論各種類型的旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。
1增量式光電編碼器
增量式光電編碼器的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)就對(duì)應(yīng)一個(gè)增量位移角．但不能通過(guò)輸出脈沖區(qū)別出是哪一個(gè)增量位移角，即無(wú)法區(qū)別是在哪個(gè)位置上的增量，編碼器能產(chǎn)生與軸角位移增量等值的電脈沖。這種編碼器的作用是提供一種對(duì)連續(xù)軸角位移量離散化或增量化及角位移變化(角速度)的傳感方法，它不能直接檢測(cè)出軸的****角度。
增量式光電編碼器由以下四個(gè)基本部分組成：光源、轉(zhuǎn)盤(動(dòng)光柵)、遮光板(定光柵)和光敏元件，如圖3—1所示。
轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤上刻有均勻的透光縫隙，相鄰兩個(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期。遮光板上刻有與轉(zhuǎn)盤相應(yīng)的透光縫隙，以用來(lái)通過(guò)或阻擋光源和位于遮光板后面光敏元件之間的光線。通常，遮光板上所刻制的兩 條縫隙使輸出信號(hào)的電角度相差90°，即所謂兩路輸出信號(hào)正交。同時(shí)，在增量式光電編碼器中還備有用作參考零位的標(biāo)志脈沖或指示脈沖，圓盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，只發(fā)出一個(gè)標(biāo)志脈沖。因此，在轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤和遮光板相同半徑的對(duì)應(yīng)位置上刻有一道透光縫隙。標(biāo)志脈沖通常與數(shù)據(jù)通道有著特定的關(guān)系，用來(lái)指示機(jī)械位置或?qū)鄯e量清零。
下面，就使用增量式光電編碼器應(yīng)該了解的幾個(gè)基本問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明，這些問(wèn)題的考慮對(duì)其他類型傳感器也同樣適用。
1．增量式光電編碼器的分辨率
光電編碼器的分辨能力是以編碼器軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的輸出信號(hào)基本周期數(shù)，也就是用脈沖數(shù)／轉(zhuǎn)(P／r)表示的，并以此定義為編碼器的分辨率，因此光柵盤上的槽或窗口數(shù)目就等于編碼器的分辨率。換言之，在轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤上透光和不透光的扇形條數(shù)就等于編碼器輸出的增量周期數(shù)。轉(zhuǎn)盤上刻制的縫隙越多，編碼器的分辨率就越高。所謂分辨率是指檢測(cè)裝置能夠測(cè)量的最小位移量而言，它取決于檢測(cè)元件本身，也與測(cè)量線路有關(guān)。
在工業(yè)電氣傳動(dòng)中，根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象，可選擇分辨率為500～50001~l／r的光電增量編碼器：在Ac伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，常選用分辨率為2500Pl／r的編碼器。
2．增量式光電編碼器的精度
增量式編碼器的精度與其分辨率完全無(wú)關(guān)，這是兩個(gè)不同的概念。精度是一種度量在所選定的分辨范圍內(nèi)，確定任一脈沖相對(duì)另一脈沖位置的能力。通常，精度用角度、角分或角秒來(lái)表示。編碼器的精度與轉(zhuǎn)盤縫隙的加工質(zhì)量、轉(zhuǎn)盤的機(jī)械旋轉(zhuǎn)情況等制造精度因素有關(guān)，也與安裝技術(shù)有關(guān)，這對(duì)使用者來(lái)說(shuō)應(yīng)該特別加以注意。
3．增量式光電編碼器輸出的穩(wěn)定性
編碼器輸出的穩(wěn)定性是指在實(shí)際運(yùn)行條件下，保持規(guī)定精度的能力。影響編碼器輸出性能穩(wěn)定性的主要因素是溫度對(duì)電子器件造成的漂移、外界加于編碼器的變形力，以及光源特性的變化。由于受到溫度和電源變化的影響，編碼器的電子電路不能保持規(guī)定的輸出特性，在設(shè)計(jì)和使用中都要充分考慮到這一點(diǎn)。
4增量式光電編碼器的響應(yīng)頻率
編碼器輸出的響應(yīng)頻率取決于光敏元件、電子處理線路的響應(yīng)速度。當(dāng)編碼器高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果其分辨率很高，那么編碼器輸出的信號(hào)頻率將會(huì)很高。如果光敏元件和電子線路元件的工作速度不能與之相適應(yīng)，就有可能使輸出波形嚴(yán)重畸變，甚至?xí)a(chǎn)生丟失脈沖的現(xiàn)象。這樣，輸出信號(hào)就不能準(zhǔn)確反映軸的轉(zhuǎn)角位移。所以，，每一種編碼器在其分辨率確定的條件下，它的****轉(zhuǎn)速也是一定的，也就是說(shuō)它的響應(yīng)頻率是受限的。
5．編碼器內(nèi)輸出信號(hào)的處理
在大多數(shù)情況下，直接從編碼器光電元件獲取的信號(hào)電平較低，波形也不規(guī)測(cè)，還不能適應(yīng)控制、信息處理和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊�，所以，在編碼器內(nèi)還必須將此信號(hào)放大與整形。經(jīng)過(guò)處理的輸出信號(hào)一般為近似正弦波或矩形波。由于矩形波輸出信號(hào)容易進(jìn)行數(shù)字處理，所以這種輸出信號(hào)在定位控制中應(yīng)用十分廣泛。
但是，當(dāng)輸出信號(hào)為近似正弦波時(shí)，也有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
1)在定位停止時(shí)，沒(méi)有振蕩現(xiàn)象；
2)把輸出的近似正弦波和余弦波信號(hào)微分合成，可以得到模擬速度信號(hào)。
3)可以進(jìn)行電子內(nèi)捅，以較低的成本得到較高的分辨率。
基于上述原因，近似正弦波輸出方式在打印機(jī)和磁盤的磁頭定位控制中得到了，廣泛應(yīng)用。
近似正弦波輸出信號(hào)的合成如圖3-2所示。矩形波輸出信號(hào)如圖3-3所示
在許多實(shí)際應(yīng)用中，要求AC伺服電
動(dòng)機(jī)在正反兩個(gè)方向上能實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行這就要求編碼器輸出兩路正交信號(hào)，如圖3一r所示．
對(duì)應(yīng)編碼器的某一旋轉(zhuǎn)方向，兩個(gè)信號(hào)明確而單值地表示了從“0，，到“1和從“1”到“0”的躍變邏輯。所以，對(duì)這兩個(gè)躍變邏輯信號(hào)與某相靜態(tài)邏輯信號(hào)進(jìn)行編碼，可以設(shè)計(jì)出正反方向鑒別電路，如圖3—4所示。方向判別電路的輸出波形如圖3—5所示。
二 ****式光電編碼器
與增量式光電編碼器不同，****式光電編碼器是用不同的數(shù)碼來(lái)分別指示每個(gè)不同的小增量位置。通常，在旋轉(zhuǎn)碼盤上制成8～12個(gè)碼道，碼型為循環(huán)二進(jìn)制碼葛萊碼)。碼盤和編碼器的構(gòu)造分別如圖3—6和圖3～7所示。
****式光電編碼器的零點(diǎn)固定，輸出為矩形波的自然二進(jìn)制碼(葛萊碼可以轉(zhuǎn)換成自然二進(jìn)制碼)。輸出是軸角位置的單值函數(shù)，即輸出的二進(jìn)制數(shù)與軸角位量具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 通常，在停電時(shí)數(shù)據(jù)丟失或在運(yùn)行時(shí)雖然通電但無(wú)數(shù)據(jù)讀出的機(jī)械運(yùn)動(dòng)情況下，就需要采用****式光電編碼器。除了****式光電編碼器外，還有旋轉(zhuǎn)變壓器及****式磁性編碼器。但應(yīng)用最多的還是****式光電編碼器。
現(xiàn)有的****式光電編碼器多為單轉(zhuǎn)式，它所能測(cè)量軸角的范圍是O°～360°，不具有多轉(zhuǎn)檢測(cè)能力，測(cè)量角位移的范圍只限于360°以內(nèi)，因而不適應(yīng)多轉(zhuǎn)數(shù)運(yùn)動(dòng)控制中檢測(cè)****位置的要求。傳統(tǒng)的****式光電編碼器的另一個(gè)缺點(diǎn)是，在把位置****值信號(hào)進(jìn)行采樣處理時(shí)，由于延遲時(shí)間的存在，故不適應(yīng)高速控制的需要。如果把位置****值信號(hào)進(jìn)行并行傳輸，雖然可以提高工作速度，但引線增多，也不便于在數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人上應(yīng)用。
因此，要想在Ac伺服電動(dòng)機(jī)中真正實(shí)現(xiàn)****定位控制，就必須解決上面所提到的那些問(wèn)題。并且要滿足高精度與小型化的要求。
為了克服單轉(zhuǎn)****式光電編碼器所存在的問(wèn)題，適應(yīng)多轉(zhuǎn)數(shù)運(yùn)動(dòng)控制位置檢測(cè)的需要，目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多轉(zhuǎn)****式光電編碼器，并在定位控制中得到了應(yīng)用。
隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，生產(chǎn)形態(tài)已從少品種大批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多品種小批量生產(chǎn)。在這種形勢(shì)下使生產(chǎn)能連續(xù)可靠地進(jìn)行、縮短交替時(shí)間、提高設(shè)備的開(kāi)動(dòng)率等都成為保證生產(chǎn)線提高效率的重要因素：因而，這就要求數(shù)控?cái)_床和工業(yè)機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)瑚交流化，位置控裁實(shí)現(xiàn)****值化。
傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人的位置檢測(cè)器大都采用增量式位置傳感器，電源投入時(shí)，還不知道被控對(duì)象在****空間的機(jī)械位置(坐標(biāo)值)。為了校正位置，必須對(duì)編碼器進(jìn)行回歸原點(diǎn)操作。如果一臺(tái)機(jī)器，這種回歸原點(diǎn)的操作倒不算很麻煩，當(dāng)這些機(jī)器被大量使用在生產(chǎn)線中時(shí)，在每天開(kāi)始送電或停電后重新送時(shí)，若把所有這些機(jī)器都做回歸原點(diǎn)操作，那就太費(fèi)事了，特別是對(duì)工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在大多數(shù)是多關(guān)節(jié)型的，都要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換。但是，若能知道機(jī)器人各軸的****位置，那么，在機(jī)器人再操作之前，就不需要將機(jī)器人回歸原點(diǎn)，也就不必進(jìn)行坐標(biāo)變換了。
假如在工作中萬(wàn)一停電，機(jī)器人和作業(yè)之間的復(fù)雜位置關(guān)系就中斷了。在恢復(fù) 供電后，進(jìn)行手動(dòng)操作有困難的場(chǎng)合也不少：基于這種背景，數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人要求實(shí)現(xiàn)****位置控制的呼聲將越來(lái)越高。 實(shí)現(xiàn)位置控制****值化的最重要的元件就是****位置檢測(cè)器。對(duì)于數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，由于Ac伺服電動(dòng)機(jī)是多轉(zhuǎn)數(shù)運(yùn)動(dòng)，若想實(shí)現(xiàn)****位置控制，就必須要有與之相適應(yīng)的多轉(zhuǎn)****位置檢測(cè)器，而一般的單轉(zhuǎn)****位置檢測(cè)器是無(wú)法滿足Ac伺服電動(dòng)機(jī)多轉(zhuǎn)數(shù)****位置運(yùn)動(dòng)控制要求的。
轉(zhuǎn)****式光電編碼器的電路結(jié)構(gòu)如圖3—8所示。實(shí)際上可以看成是由一個(gè)單轉(zhuǎn)****式光電編碼器和一個(gè)增量式磁性編碼器組成。其中單轉(zhuǎn)****式光電編程器的任務(wù)是在一轉(zhuǎn)之內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度的****位置檢測(cè)。而增量式磁性編碼器是用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，磁增量編碼器就發(fā)生一個(gè)脈沖，并送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。實(shí)際上，對(duì)于增量式磁性編碼器來(lái)講，在這里它每一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)角增量為360°。
由于單轉(zhuǎn)****式編碼器的發(fā)光元件功耗較大，用電池供電困難，故由電源供電。增量式磁性編碼器在正常情況下也由電源來(lái)供電。由于采用了低功耗阻元件，在停電時(shí)用電池供電。當(dāng)電源斷開(kāi)時(shí)，備用電池投入運(yùn)行，使計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，即保存了轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)這一信息：斷電不會(huì)影響單轉(zhuǎn)式光電****編碼器在一轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的位置信息。這樣，就不會(huì)因?yàn)閿嚯姸罐D(zhuǎn)軸最終的位置信息丟失。在電源重新投入工作時(shí)，備用電池切除，整個(gè)多轉(zhuǎn)****式光電編碼器就可以從停電時(shí)的原位置開(kāi)始，隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，繼續(xù)向外部提供正確的位置信息。
多轉(zhuǎn)****式光電編碼器能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)次數(shù)的檢測(cè)與信息記憶，以及一轉(zhuǎn)內(nèi)對(duì)****角度的檢測(cè)、信號(hào)修正、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)傳輸，具有很強(qiáng)的靈活性。與傳統(tǒng)的單轉(zhuǎn)****式光電編碼器相比，結(jié)構(gòu)雖然是復(fù)雜了，但功能卻大為增強(qiáng)，用途更為廣泛。采用專用的微機(jī)和大規(guī)模集成電路作為信號(hào)處理，使這種編碼器實(shí)現(xiàn)小型化。
由于這種編碼器能在一轉(zhuǎn)內(nèi)精確檢測(cè)****角度，故對(duì)各種極對(duì)數(shù)的永磁AC伺服電動(dòng)機(jī)很容易進(jìn)行匹配，用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子的磁極位置。由于它同時(shí)具有多轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量功能，并備有電池，所以非常適用于生產(chǎn)線中工業(yè)機(jī)器人的定位控制，今后將發(fā)展成直接驅(qū)動(dòng)用的高分辨率超小型的多轉(zhuǎn)****式光電編碼器，以滿足各種****值定位至制系統(tǒng)的需要。
三 混合式光電編碼器
所謂混合式光電編碼器就是在增量式光電編碼器的基礎(chǔ)上，加裝了一個(gè)用于檢測(cè)永磁Ac伺服電動(dòng)機(jī)磁極位置的編碼器而組成的一種光電編碼器。其中，用于檢測(cè)AC伺服電動(dòng)機(jī)磁極位置的這種編碼器實(shí)際上是一種****式編碼器，它的輸出信號(hào)在一定的精度上與磁極位置具有對(duì)應(yīng)的關(guān)系。通常，它給出相位差為120°的三相信號(hào)，用于控制AC伺服電動(dòng)機(jī)定子三相電流的相位。這種混合式光電編碼器的結(jié)構(gòu)與輸出信號(hào)波形如圖3—9所示。這種檢測(cè)磁極位置的方法常用于無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)中。
在轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤內(nèi)側(cè)制成空間位置互成120°的三個(gè)縫隙，受光元件接受發(fā)光元件通過(guò)縫隙的光線而產(chǎn)生互差120°的三相信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大與整形后輸出矩形波信號(hào)Uu、Uu，Uv、uv，uw、uw。利用這些信號(hào)的紐合狀態(tài)來(lái)分別代表磁極在空間的不同位置。這里，每相輸出信號(hào)Uu、Uu，Uv、uv，uw、uw的周期為空間360°，在每一個(gè)周期中可以組合成六種狀態(tài)，每種狀態(tài)代表的空間角度范圍為60°，即在整個(gè)磁極位置360°空間內(nèi)，每60°空間位置用一個(gè)三相輸出信號(hào)狀態(tài)表示。這種檢測(cè)磁極位置的方法雖然簡(jiǎn)單易行，但使伺服系統(tǒng)的低速性能變差，產(chǎn)生明顯的步進(jìn)運(yùn)動(dòng) 。
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