旋转编码器之原理.PDF

旋轉編碼器之原理 明道大學 高清芬 前言 機械手臂及致動器的控制，機器人移動方位的估測，均須倚靠量測裝置的回 饋值，幾乎所有精密的機器人系統，均須配置相關位置與角度的感測器，因此線 性及角度的量測可說是精密控制技術中的主要單元，這些系統的能力取決於解析 度、精度、重覆性、量測範圍以及最大速度，因此量測儀器的解析度、精度、重 覆性、量測範圍以及最大反應速度相當重要，而高精度的線性及角度的量測儀器 最常使用的就是光柵型編碼器。 光柵型編碼器分為長形及圓形兩種，長形如一根尺規，圓形有如刻度盤，在 大多數情況下線寬與間距的寬度相等亦即明暗等距，在測量長度時採用長光柵， 測量角度採用圓光柵。線寬與間距和稱為光柵的柵距，製造光柵的方法分為直接 刻劃、曝光複製與滾壓製造等，光柵材料分為玻璃透射式、金屬反射式及鋼帶反 射式，依光柵表面形狀又分為黑白幅值光柵或相位光柵，黑白幅值光柵的柵線與 間距是黑白等距相間，而相位光柵其光柵的橫截面為鋸齒狀即三角波狀或弦波 狀，本文將針對旋轉編碼器的基本原理與設計包含光源、光柵、光偵測器及訊號 分析介紹。 一、旋轉編碼器種類 旋轉編碼器可作為旋轉運動、角速度測量感測器，也可與機械測量載體，例 如導螺桿聯用，用於測量直線運動。應用領域包括馬達、工具機、木工機械、紡 織機械、機器人和運送設備以及各種測量、測試和檢驗設備。 旋轉編碼器可分為應用光學光柵原理和磁性磁柵原理兩類，由於使用光學光 柵原理的光學式旋轉編碼器比使用磁性原理的磁式旋轉編碼器具有精度高，光感 測元件來源較多，與容易製作等優點，光學式旋轉編碼器目前在技術與生產產量 上皆居於主流地位。但由於應用磁性磁柵原理的磁式旋轉編碼器抗環境污染能力 強，於編碼式定位量測系統旋轉編碼器市場上仍佔一席之地。 光學式旋轉編碼器主要是由中心軸、主光柵盤、副光柵、發光二極體及光偵 測器組成。LED的光源可以經由主光柵盤、副光柵至光偵測器，當主光柵盤隨中 心軸旋轉時，光偵測器便收到不同的光源並依次產生訊號。旋轉編碼器根據其刻 度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種，增量式旋轉編 碼器在角度測量和角速度測量較絕對式旋轉編碼器更具有廉價和簡易的優勢。但 針對高精度的伺服系統而言，提高伺服系統的精度，首先必須提高位置反饋的精 Page: 1/8 度，因此隨著精度要求的提昇，絕對式旋轉編碼器日漸重要。 光學式軸編碼器主要構成為一個可旋轉圓盤，其周圍邊緣有許多細縫之槽 孔。在圓盤的一側放置光源，另一例放置光感測器。當圓盤旋轉時，光感測器即 接收到on-off的脈波，計算脈波的數量，即可計算出旋轉的角度或位移長度。光 學式軸編碼器，可分為增量式及絕對式編碼器兩種型式，兩者主要差別在於輸出 信號不同，前者輸出為A、B相之方波；後者輸出 為特定之數位碼，在編碼器解 析度範圍內之任一角度，均有唯一之碼對應。 A. 增量型光學編碼器 一旋轉軸帶動刻有光柵的圓盤，兩側分別擺放發光二極體與光電檢測器，發 光二極體光線若透過光柵讓光電檢測器接受到，所以當圓盤不斷旋轉光電晶體將 持續送出on與off訊號，我們只要記錄訊號出現的數目即可計算出旋轉角度。當 然圓盤的光柵愈密，所能量測的角度位置精度越高。需要提高分辨率時，可利用 90度，相位差A，B兩路信號，對原脈沖進行倍頻。 B. 絕對光學編碼器 絕對編碼器的碼盤是由一系列同心圓的軌道組成。每層軌道以從外向裡按軸 位代碼的二進制的權分割成等距的區段，外層軌道為最低位，內層軌道為最高 位。二進制碼優點是可直接進入計算機工作，但它在交界面上會出現錯讀，並且 隨著碼盤輸出值的增加，讀數誤差也伴隨 增大。例如在二進制碼盤，0與15的交 界面上，由於工藝和裝配的因素可能讀成1111或0000以外，任何數字都可出現， 即發生非單值性，這就產生讀數誤差。 增量式旋轉編碼器量測目前位置的方式由原點開始計數量測步距，或細分割 信號週期並計數，增量式編碼器具有參考點，開機時必須執行原點復歸操作，以 建立機械基準點。