高精度絕對(duì)式編碼器的研發(fā)與應(yīng)用
2020-5-11 來源： 長(zhǎng)春禹衡光學(xué)有限公司 作者：王慶賀 于海洋
一、概述
隨著我國(guó)機(jī)床、伺服電機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展， 對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、精度及功能作用的要求越來 越高，而伺服電機(jī)的這些功能主要取決于編碼器 的精度，需要編碼器有更高的采樣精度和數(shù)據(jù)位 數(shù)。由于絕對(duì)值編碼器在編碼器內(nèi)部所有位置值 在編碼生成后，其量程內(nèi)所有的位置均有一一對(duì) 應(yīng)的代碼（二進(jìn)制、BCD 代碼）輸出。從代碼 的大小變更，可以判定電機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)方向，絕 對(duì)值編碼器由機(jī)械位置決定每個(gè)位置的唯一性， 它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)， 什么時(shí)候需要知道位置什么時(shí)候就去讀取它的位 置，這樣大大增強(qiáng)了編碼器的抗干擾性能。這使 絕對(duì)式編碼器在數(shù)控機(jī)床及伺服電機(jī)領(lǐng)域得到廣 泛的應(yīng)用。
最早高精度、高位數(shù)的絕對(duì)式編碼器 在我國(guó)一直是處于空白狀態(tài)，極大地影響了我國(guó) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。 后來國(guó)內(nèi)絕對(duì)式編碼器有了一定的進(jìn)步，但 精度仍落后于國(guó)際先進(jìn)水平，不能滿足國(guó)內(nèi)及國(guó) 際市場(chǎng)的需求。 為此長(zhǎng)春禹衡光學(xué)有限公司申請(qǐng)了 “高檔數(shù) 控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備” 科技重大專項(xiàng)課題，并 聯(lián)合華中科技大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、沈陽(yáng)第一 車床廠、武漢華大電機(jī) 、上海開通數(shù)控、廣州 凱恩帝數(shù)控 、海誠(chéng)躍電氣、珠海市怡信測(cè)量等 公司共同開展高精度、高分辨力絕對(duì)式光柵旋轉(zhuǎn) 編碼器的研制。通過對(duì)絕對(duì)式編碼器的整體結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能分析、集成化信號(hào)處理的重新設(shè) 計(jì)、整機(jī)裝配工藝的改善等核心任務(wù)的公關(guān)，長(zhǎng)春禹衡光學(xué)有限公司完成了 HKD-2 高精度、高 轉(zhuǎn)速絕對(duì)式編碼器的設(shè)計(jì)與制造，取得了包括 3 項(xiàng)發(fā)明專利在內(nèi)的 8 項(xiàng)專利。
1
HND-2 絕對(duì)式編碼器的外觀
二、產(chǎn)品性能介紹
HND-2 是一款高精度適用于高轉(zhuǎn)速主軸的 絕對(duì)式編碼器，主軸采用 “臺(tái)階軸” 設(shè)計(jì)，無(wú) 需擋圈，提高軸系可靠性和抗負(fù)載能力。軸承 使用軸承鋼 + 耐高溫潤(rùn)滑脂，可以保證軸系在 120℃、10000r/min 的條件下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作， 且可提高軸系的使用壽命一倍左右。主體軸承孔 增加 “軸肩” 設(shè)計(jì)，提高軸系的可靠性和抗負(fù)載 能力。軸系設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新開發(fā)了具有專利技術(shù)的 曲路密封設(shè)計(jì)（ZL 2014 20230953.2）: 主體 和光柵盤進(jìn)行裝配后，形成一個(gè)狹長(zhǎng)的溝回，防 止在高速情況下，軸承潤(rùn)滑脂甩到編碼器內(nèi)部， 從而提高了產(chǎn)品的可靠性。
為提高編碼器的分辨率和信號(hào)穩(wěn)定性，長(zhǎng)春 禹衡光學(xué)有限公司采用相位陣技術(shù)，可自動(dòng)矯正 誤差，使編碼器的波形和相位不受光柵擺動(dòng)、干擾、光柵污染、光衰減等諸多因素變化而改變， 進(jìn)一步提高了編碼器的使用壽命和穩(wěn)定性。 同時(shí)，在原有的 BISS 協(xié)議和 SSI 協(xié)議的 基礎(chǔ)上，長(zhǎng)春禹衡光學(xué)有限公司采用自主開發(fā) 的 CPE 接口，并按其總線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù) 高速串行傳輸。CPE 總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了位移編碼 器 CPE-Bus 總 線（Communication Protocol of Encoder Bus，編碼器通信協(xié)議總線）的體系 結(jié)構(gòu)、物理層、協(xié)議層，確立了用于編碼器雙向 串行數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)囊话阍瓌t及包含應(yīng)用 CPE- Bus 進(jìn)行編碼器數(shù)據(jù)傳輸而制定的基于 RS485 的通信協(xié)議規(guī)范。這種方式連接線少、傳輸距離 遠(yuǎn)、有數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，其可靠性和實(shí)時(shí)性能得到 保證 , 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與編碼器之間的高分辨率數(shù)據(jù) 的實(shí)時(shí)交換。
CPE 協(xié)議是我國(guó)編碼器行業(yè)第一個(gè) 串行通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，該協(xié)議將成為我國(guó)編碼器的 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 主要計(jì)數(shù)指標(biāo)為如下 : 絕對(duì)式輸出形式 : 二進(jìn)制 ; 分辨力 : 單圈 17 位以上、多圈 12 位以上 ; 時(shí)鐘頻率 :4MHz 以上 ; 增量輸出波形 ( 附加功能 ):Sinus-Cosinus1 Vpp， 1024 線以上 ; 最大機(jī)械轉(zhuǎn)速 :10000rpm 以上 ; 防護(hù)等級(jí) : 具有防水、防油、防塵能力，IP54 以 上（ 封閉式編碼器）; 工作溫度 :-40℃ ~+125℃ ; 儲(chǔ)存溫度 :-55℃ ~+130℃ ; 支持 2 種及以上的國(guó) 際主流的編碼器數(shù)據(jù)傳輸總線接口協(xié)議。開發(fā) 1 種自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的絕對(duì)式編碼器全雙工或半雙工 同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線接口協(xié)議。 高精度絕對(duì)式編碼器 HND-2 與多摩川同類 產(chǎn)品對(duì)比具有以下優(yōu)勢(shì) :
（1）溫度系數(shù)穩(wěn)定 : 金屬本體 ; 適用范圍寬 : 板簧的形狀、尺寸可選。 （2）輸出位數(shù)可選，可同時(shí)輸出正余弦信號(hào)。 （3）準(zhǔn)確度高，且溫度特性好。 （4）同步串行協(xié)議，傳輸效率高。 （5）功耗低。 （6）防護(hù)等級(jí)高。 （7）抗污染能力強(qiáng)。 （8）發(fā)光管抗老化性強(qiáng)，采用發(fā)光補(bǔ)償技術(shù)。 （9）使用溫度范圍寬，已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際前沿 產(chǎn)品的技術(shù)水平。
三、關(guān)鍵技術(shù)
高精度、高轉(zhuǎn)速絕對(duì)式編碼器的技術(shù)難點(diǎn)主 要體現(xiàn)在兩方面 : 一方面，光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理。編碼器在工 作時(shí)，光電信號(hào)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換決定了編碼器精度。 光電信號(hào)在轉(zhuǎn)換時(shí)的精度受光源、光柵的刻劃精 度或方式、光電傳感器接收芯片所影響，因此需 要穩(wěn)定的良好的光源、優(yōu)化設(shè)計(jì)的高刻畫精度光 柵以及高性能的光電接收器。本公司創(chuàng)新使用同 時(shí)輸出模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的光電傳感器接收 芯片，并獲得了國(guó)家實(shí)用新型專利（專利號(hào) ZL 2013 20611508.6）; 另一方面，編碼器的可靠性設(shè)計(jì)。編碼器的 可靠性越高，信號(hào)精度受外界環(huán)境的影響越小， 使用壽命也會(huì)提高。需要對(duì)編碼器的功耗、整體 密封結(jié)構(gòu)、電磁兼容性、軟件設(shè)計(jì)的可靠性等進(jìn) 行提高。本公司在線路上，電源入口處和信號(hào)輸出端 口放置 TVS 管，可以吸收浪涌，起到對(duì)電路的 保護(hù)作用，同時(shí) PCB 板采用多層板設(shè)計(jì)，進(jìn)行 合理區(qū)分模擬地和數(shù)字地，提高 PCB 板的抗干 擾能力。同時(shí)本公司創(chuàng)新采用電子式多圈編碼器 計(jì)圈的低功耗電路設(shè)計(jì)，并獲得國(guó)家發(fā)明專利（專 利號(hào) :ZL 2014 1 0197583.1）。
四、成果及應(yīng)用推廣
本課題成功研發(fā)的高精度絕對(duì)式編碼器已成 功用于武漢華大新型電機(jī)科技股份有限公司，精 度均達(dá)到大型數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的技術(shù)要求。 通過本課題的研究，使我國(guó)高精度絕對(duì)式編 碼器的技術(shù)得到了突破發(fā)展，達(dá)到了世界領(lǐng)先水 平，同時(shí)增強(qiáng)了我國(guó)高、精、尖裝備的創(chuàng)新能力。 作為國(guó)內(nèi)編碼器設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造商的先驅(qū)者，長(zhǎng)春 禹衡光學(xué)義不容辭繼續(xù)做好技術(shù)的創(chuàng)新，同時(shí)增 強(qiáng)國(guó)內(nèi)編碼器的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
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