角度数字编码器码盘的材料根据与之配套的敏感元件不同而不同。码盘的内孔由安装于被测轴的轴径所决定,码盘的外径由码盘上的码道数决定,而码道的数目由分辨率决定。如若码道数目为 n,则分辨率为 1/2n。码道的宽度由敏感元件的几何参数和物理特性决定。角度数字编码器有两种基本类型:绝对式编码器和增量式编码器。

 

绝对式编码器能给出与每个角位置相对应的完整的数宇量输出。由单个码盘组成的绝对式编码器,所测的角位移范围为 0〜360°。若要测量大于 360°的角位移或者轴的转数,需要多个码盘。因为单个码盘组成的绝对编码器在某一位置输出的二进制码与它旋转 n×360°后到达原先位置输出的二进制码是一样的(n=码道数)。换句话说,码盘和与之相连的轴,在上述情况下认为位置是一样的。所以该种编码器输出的是“位置参数”。由于码盘式传感器由敏感元件和码盘所组成,所以对采用不同的敏感元件,码盘的制造和形式也不同。下图示出了三种典型的绝对轴编码盘。最常用的绝对式编码器有接触编码器、光学编码器和磁性编码器。

 

绝对轴编码盘

 

接触编码器的特点是敏感元件 -——电刷和码盘直接接触。简单的接触编码器,电刷的数目和码道数目一致。每个电猶和一根单独的导线相连,作为某一位逻辑电平“1”或“0”的输出。

 

这种编码器对码盘和电刷的制造和安装有一定的要求。

 

(1)对码盘的要求

接触式编码器的码盘基体是个绝缘体。码道是一组同心圆。码道的数目根据分辨率决定。同心圆环的径向距离即是码道宽。根据分辨率 1/2n(n 为码道数),计算出每周的分辨角度 360°/2n 以这个角度为间隔,在一周可产生 2n 个扇形区,这样由正交的极坐标曲线族就可以得到 2n 组扇形网格。根据二进制数的规律,某位为“1”,则对应码道的相应小网格,也应为高电平,即是导电区;相反是低电平,即非导电区。这样,每一组扇区对应一个二进制数。一般外轨道是低位,内轨道是高位。为了供电,需要另加一个供电码道,并与供电电刷相连。所有码区的导电区与供电码道相连,如上图(a)所示。

 

为了提高码盘的制造精度,制造码盘时,先要绘制一张比实际码盘大若干倍的标准码盘图,根据各组码数,涂出导电区,然后照相、缩小,制成和实际码盘一样大的版,再经显影电镀就得到了可实际应用的码盘。

 

(2)对编码器的安装要求

接触式编码器的主要组成部分是码盘和电刷,它们的安装直接影响编码器的精度。码盘安装时,要求码盘的中心孔和被测体刚性连接,同心度要好,并且码盘要和被测轴垂直。这样就避免了在旋转过程中某个轨道的电刷在相邻轨道间跳动。

 

电刷是由金属丝组成的,安装时既要保证每个电刷与相应码道精确对应,又要使所有的电刷在同一直线上。

 

(3)提高编码器精度的途径

直接二进制码盘虽然简单,但是对码盘的制作和安装要求很严格,否则容易出错。例如,下图所示的 4 位二进制码盘,当电刷由 h(0111)向位置 i(1000)过渡时,本来是 7 变为 8,但若电刷进入导电区的先后有差别,就可能岀现 8〜15 之间的任一十进制数,造成的误差可能相当大。为了解决这一问题,通常采用的方法之一是应用循环码盘。

 

4 位二进制码盘

 

循环码盘的特点是相邻的两组数码之间只有一位是变化的。因此,即使制作和安装不准,产生的误差最多也只是最低位的一个位。4 位循环码盘如下图所示。

 

4 位循环码盘        

 

设 R 为循环码,C 为二进制码,则由二进制码转换成循环码的规律为

 

 

一般形式为        

 

 

它表示将某个二进制码右移一位并舍去末位码,然后与原二进制码作不进位加法,即得循环码。

 

同样可导出由循环码转变为二进制码的关系式为

 

 

循环码转变为二进制码可由逻辑电路实现。下图是 4 位并行循环码 - 二进制码转换器。这种转换器转换速度快,但是所需元件多。

 

并行循环码 - 二进制码转换器

 

对于转换速度不高的,可采用下图所示的串行转换器。它是由与非门组成的不进位加法器和 JK 触发器构成。

 

串行循环码 - 二进制码转换器

 

解决直接二进制码可能产生较大误差的另外一种办法是扫描法。广泛应用的有 V 扫描法、U 扫描法和 M 扫描法。这些方法的特点是最低位码道上安装一个电刷,其他高位码道上安装两个电刷。一个电刷放在被测位置的前边,称超前电刷;另一个电刷放在被测位置的后边,称为滞后电刷。如果最低位码道有效位的增量宽度为 x,则高位电刷对应的距离依次为 1x,2x,4x 和 8x 等。这样在每个确定的位置,最低位电刷的输出电平反映了它真正的值,而高位码道由于有两个电刷,就会输出两种电平。为了读出反映该位置的高位二进制码对应的电平值,必须在某个轨道上电刷对真正输出是“1”的时候,高一级轨道上的真正输出要从滞后电刷读出;如果某个轨道上电刷对真正输出是“0”的时候,由于最低位轨道只有一个电刷,它的电刷输出代表此真正的位置,这样较高级轨道的真正输出就能以此为基础正确读出。这就是 V 扫描法。V 扫描的电刷布置和扫描逻辑见下图。

 

V 扫描的电刷布置和扫描逻辑电路

 

这种方法的原理在于直接运用二进制码的特点。由于二进制码是从最低位逐级进位的,那么最低位变化最快,高位变化逐渐减慢。当某一组二进制码的第〗位是“1”的时候,该组码的第 i+1 位和前组码的 i+1 位状态是一样的,故该组码的第 i+1 位的真正输出要从滞后电刷读出;相反,当某一组二进制码的第 z 位是“0”的时候,该组码的第 i+1 位和后组码的第 i+1 位状态是一样的,故该组码的第 i+l 位的输出要从超前电刷读出。这可以从任一个二进制的数码表中得到证实。

 

(4)提高分辨率的途径

为了提高分辨率,可以采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的码盘组。这是因为靠增加单个码盘的码道来提高分辨率有时要受到安装和敏感元件的限制。利用传动比变化的机械装置把几个分辨率一般的码盘和相应的电刷安装在一起,则可大大提高分辨率,而且可以用来测定转速。这一点单个绝对编码器是作不到的。当传动比大于 1 时,可用于测转速;当传动比小于 1 时,可用于测量角位移。分辨率的提高和传动比有关。自然,其精度也就和机械传动精度有关。这里的机械传动起“放大”和“缩小”的作用。

 

接触编码器在应用中不需要特殊的开关逻辑,只需简单地改变电源就能将每条线上的电压输出调整到需要的电平上。但它存在电刷与编码盘的磨损,特别是电刷在导电区和绝缘区的滑动产生的电弧造成码盘和电刷寿命降低,并经不起振动。因为振动的存在将会使电刷和码盘间跳闸。为了避免接触编码器使用电刷造成的码盘与电刷磨损的问题,人们研制生产出了非接触编码器,主要是光学编码器和磁性编码器。