光柵編碼器介紹與應用

劉 帥

(北京慧摩森電子系統技術有限公司，北京，100083)

隨著技術的不斷發展，運動控制系統也逐漸從簡單到復雜，由手動到自動。在一些高性能的伺服運動系統中，需要實時監測輸出的狀態，也就是反饋元件，反饋的精度一定程度上影響著系統的精度和性能。光柵編碼器是現在運動伺服系統中精度較高的位置檢測元件，廣泛應用于高精度定位檢測系統中，光柵編碼器的了解和使用將越來越重要。

1 光柵編碼器介紹

光柵編碼器包括刻有光柵的尺子和電子反饋器件；光柵尺的實際作用就是檢測位置信息，高精度的光柵尺是精密機械精度的一個重要影響因素，各個品牌的光柵也在不斷的更新技術，提高光柵的精度，性能；精密儀器、精密機械是以后發展的重要方向，光柵尺的應用也更加的廣泛。如圖1所示。

光柵編碼器一般應用是將讀數頭和光柵尺安裝在兩個相對移動的工件上，他們每移動一個柵距，輸出信號便變化一個周期，通過周期的變化，來測量出相對位移；目前市面上使用的光柵編碼器輸出信號一般有三種，一種是兩路相差90°的方波信號，也稱數字信號，一種是兩路相差90°的正玄信號，也稱模擬信號，還有一種是串行輸出，直接輸出位置信息。

圖1 光柵編碼器示意圖

光柵編碼器的尺子一般為金屬尺帶和玻璃尺帶兩種，其中玻璃尺既可以是直線的，也可以是圓形的，即光柵碼盤。同分辨率的金屬尺帶的價格較玻璃尺帶稍便宜一些，性能也略差；高精度的光柵編碼器的尺子多為玻璃尺帶，玻璃尺的熱敏系數等一些參數要優于金屬尺子，不過玻璃尺的行程一般較短，金屬尺在這方面就有較大的優勢，金屬尺的行程可以很長，可以有一定的彎折，安裝也比較方便。

2 光柵編碼器主要參數

光柵編碼器的主要參數有：分辨率、精度、重復性、帶寬等。在我們選擇光柵的時候，首先要考慮它的精分辨率，要求的最小分辨率是多少，其次是精度，是否能滿足系統的要求，還有就是輸出頻率；其他的還有一些安裝要求，環境要求，維護等。選擇合適的光柵，不僅可以讓設備滿足設計要求，還能節約成本，提升設備的整體性能。

使用者關心較多的還是光柵編碼器的精度，沒有精度的編碼器就好比走不準的手表，除了裝飾毫無用處。影響精度的因素有很多，下面簡單介紹一下。光柵編碼器是通過讀取尺子上的光柵來獲得位置信息，那是不是把尺子的柵距刻得越小越好呢？當然不是，不同的光柵編碼器它的光電掃描原理不同，刻畫的柵距也各不相同，通過電子細分做成不同分辨率的光柵編碼器。分辨率一般通過對光學傳感器產生的周期信號進行電信號插值或數字插值產生。

分辨率=0.25×（信號周期/插值系數）

上面提到插值技術，插值技術可以讓光柵編碼器的分辨率做到很小，很多朋友看到這里仿佛又看到了曙光，我們把分辨率做到特別小，無法想象的小，其實這樣做并不能提升測量精度，光柵編碼器自身的特性決定了它能達到的最大細分倍數，不過插值技術的優劣可是決定著能否改善系統性能，也就是精度；通過以上簡單的敘述，總結一下影響精度的主要方面：（1） 光柵尺的精度；（2）線距或信號周期；（3）工作原理；（4）尺子的熱敏系數：（5）插值技術；（6）信號質量。

3 光柵編碼器的安裝使用

光柵編碼器是利用光學原理設計的位置傳感器，它的安裝設計要嚴格按照一定要求去做，否則信號質量受到影響或者根本無法讀取到信號。不同系列的光柵編碼器安裝要求也不同，在設計時要仔細查看光柵的機械安裝要求。以MicorE 的產品為例，一般的應用是將光柵尺固定在設備上，光柵讀書頭隨運動部件運動。

如圖2 所示，在設計機械安裝時，為光柵讀數頭設計一個小小的支架，固定在工作臺面上，光柵尺固定在一個可移動的臺面上。在設計時，根據光柵安裝機械手冊，計算尺寸，選擇合理的安裝區域，為了光柵尺的安裝方便，可以為其做一個基準面；讀數頭的安裝支架設計，讀數頭固定在支架上，支架的固定孔可設計成長條孔，有一定的調節量，為光柵的信號調節做一個保障。

圖2 光柵安裝示意圖

安裝完成后，需要對光柵信號進行調整，MicorE 的大多數產品需要整定工具，連接到電腦上，通過軟件查看信號的質量，并且可以設置一些可編程的量。在調節過程中，只需要調整一下讀數頭的安裝位置，直到信號達到最好。

4 光柵編碼器的信號接收

現在使用較多的光柵編碼器有增量式和絕對式兩種，絕對式的編碼器直接輸出位置信息，但價格較高。增量式編碼器一般輸出接口為A/B 相脈沖信號，也就是常說的正交編碼信號，大多數驅動器或運動控制器都帶有正交編碼接口，使用也十分方便。

如果是自行設計的板卡，需要對正交編碼進行計數，正交解碼計數技術已經非常成熟。可以使用的數字集成芯片有很多，如專用正交解碼芯片、可編程邏輯陣列、微控制器等。

專用型正交解碼芯片現在使用較少，一是增加系統單元，而是增加系統成本。現在使用較多的是用DSP 或者FPGA 去做計數處理，這兩者一般的控制系統中都需要用到，其中DSP 不僅有高速的運算能力，還有豐富的接口，在正交解碼方面，有些DSP 自身帶有QEI 正交解碼電路，還帶有數字濾波等功能。FPGA 使用比較靈活，可根據需求進行定制設計。

正交解碼電路一般包括：接口電路、數字濾波器、方向解碼電路、計數電路。光柵編碼器輸出信號多為TTL 電平的方波，A 相與B 相同寬度，相位相差90°，為了提高信號的可靠性，光柵編碼器輸出端一般為差分信號，如MicorE 系列產品，輸出差分信號，符合RS422 總線標準。見圖3 所示。

解碼電路首先將光柵輸出的信號進行轉換，將差分信號轉為單端信號；再由數字濾波器進行濾波，濾掉一些干擾信號，這里要注意濾波器的頻率；方向解碼電路通過判斷A 相、B 相信號哪個超前90°，來判斷正、反向；4 倍頻電路在A 相、B 相信號的上升沿和下降沿都進行計數，由于A 相、B 相相差90°，計數產生的脈沖即為原來的4 倍。

圖3 正交解碼示意圖

圖4 4 倍頻示意圖

5 光柵編碼器的精度

目前任何一種測量工具都有誤差，光柵編碼器也不例外，在一款光柵生產出來之后，它的一些參數就已經確定了，比如光柵柵距的誤差，細分電路的優劣等，這些都無法再去改變。在一些超高精度系統中，如果產品已經選定，我們要想提高精度是不是可以呢？實際上我們可以通過一定的補償手段，來進一步提高它的精度。對于圓光柵，影響其精度的主要是安裝誤差- 偏心率，這個參數對圓光柵的影響是非常嚴重，在安裝時為了保證它的安裝要求，有時還需要借助一定的工具。還有就是使用雙讀數頭的方式消除一定的偏心誤差，但成本也有一定的增加。直線光柵的補償首先要對它本身的誤差進行標定，獲取一定的信息，再做出對應的解決方案。光柵編碼器本身就是高精度的測量工具，要對它進行誤差分析，就要使用更高精度的測量工具，一般使用激光干涉儀測定光柵，對數據進行分析之后，在控制系統中采取一定的補償措施。

6 結束語

光柵編碼器廣泛應用于半導體和電子制造、自動化及機器人行業、運動控制子系統和無刷電機控制系統、醫療設備、測量儀表、宇航工程等行業。隨著技術的更新，用戶需求的增加，對光柵編碼性能的要求也將也來越苛刻，光柵編碼器一定會朝著更加智能化、更高性能、更微型、更方便的方向發展。

[1] 黨安明，張欽軍. 傳感器與檢測技術[M]. 北京：高等教育出版社，2011.122-143.

[2] 徐峰，李慶祥. 精密機械設計[M]. 北京：清華大學出版社，2005.36-40.

[3] 胡廣書.數字信號處理導論[M]. 北京：清華大學出版社，2005.56-58.