什么是轴角编码器?

[拼音]：zhoujiao bianmaqi

[外文]：shaft-position encoder

将转轴的角位移或直线位移的模拟量转变成数字量输出的一种轴角（位）－数字转换器。编码器的数字输出与轴角(位)成某种涵数关系，通常有线性、正弦、余弦、正切、指数和对数等函数形式。

编码器不仅能作为角度（或位移）传感用，还可以作速度传感用。后者不再叫做轴角编码器而称为速度编码器。编码器可根据码盘的结构完成多种功能。

编码器的码盘是由一系列同心圆的轨道组成。每层轨道以从外向里按轴位代码的二进制的权分割成等距的区段，外层轨道为最低位，内层轨道为最高位。

图1为二进制码盘的图形。二进制码优点是可直接进入计算机工作，但它在交界面上会出现错读，并且随着码盘输出值的增加，读数误差也伴随增大。例如在图1中，0与15的交界面上，由于工艺和装配的因素可能读成1111或0000以外，任何数字都可出现，即发生非单值性，这就产生读数误差。

克服这个缺点可采用循环二进制码（图2），又称格雷码。循环码在结构上一个很大优点是最低位区段的长度比二进制码区段长度大一倍，即在同样条件下，循环码盘的精度比二进制码盘高一倍，或者在相同精度和工艺条件下，循环码盘直径要小一半。循环码缺点是须经过译码器变换后才能接入计算机工作。二进制码盘的非单值性读出在实际应用中还有其他方法来解决。除采用上述两种码制外，还有二-十进制码，又称BCD码。

由于增量编码器比绝对编码器使用码盘轨道少，这样，它的导线数、滑环数、读出器、电路和显示元件保持最低，使得系统可靠性增大，成本降低。因此，现代系统多倾向采用增量编码器。增量编码器主要缺点是测量仅相对于一个固定点，假如这个点有误差，整个系统受损害。另一个问题是当电源出现故障时，常常导致数据丢失，须使用辅助数据记忆技术，以防止丢失。

编码器需要与译码器、逻辑电路、计数器和显示器等共同组成一个专用测量或指示仪表。由于数字仪表精度(±0.1～±0.0001％)比模拟仪表精度(±0.1～±5％)高，可靠性好，已广泛应用在控制系统中作位置和速度的检测以及反馈，取代其他模拟或数字传感元件。

轴角编码器有电机、机械、光电、磁性等形式。电机式是由旋转变压器（或自整角电机）和解码网络等电路构成；而机械式、光电式和磁性式是由码拾取器（码盘和敏感元件）及编码电路构成，它们之间的区别是码拾取器方式不同。

轴角编码器按使用分为绝对编码器和增量编码器两种。绝对编码器给出某些唯一的角度量的数据。它需要一个二-十进制的逻辑电路，最普通电路是以与门电路为基础。由这种编码器构成的仪表瞬时位置是绝对的，在军事上应用较多，如雷达天线位置的指示等。增量编码器给出角度量是通过某些固定参考点来表示，它需要一个较高速度且能周期复位的脉冲计数器，这种编码器在工业上应用广泛。

其原理见图3。

图中下半部旋转变压器将轴角θ变成两相电压模拟信号。正弦模拟信号为

U1=Umsinθsinωt

它直接接到比较器上。余弦模拟信号是作为参考电压用，经解码网络后得到电压为

U2=Umcosθsinωt·D

也加到比较器上，从而引入一个输出量D。当系统平衡时，由U1＝U2可以得到

D=tgθ

由此式看出，转角θ与数字量D已联系起来，不过D寄存器的数字量不直接表示转角θ，而是转角θ的正切函数。这种编码器也可以用自整角电机来替代旋转变压器，这时只需将自整角电机三相输出通过两个特殊的变压器变换成正弦和余弦输出。

电机式编码器的实际组成比图3的原理图要复杂得多。这类编码器的特点是，采用闭环系统，不受闭环内部的参数变化的影响。换句话说，既不受脉冲源频率不稳和波形等变化的影响，也不受交流电压的幅值大小和频率波动的影响。这种编码器信号幅度大，可靠性好。其精度主要取决于电机角误差及解码网络位数和比较器的鉴别力。

70年代，由两极旋转变压器构成轴角编码为12位(比特)，而双通道旋转变压器的轴角编码精度达17位。若采用感应同步器取代旋转变压器，则精度更高。

以接触码盘为基础的模－数转换器。五、六十年代得到广泛应用。它的码拾取器主要是由码盘和电刷组成。码盘采用照相腐蚀制成导电区段（图1上黑色部分是导电区段），之间用绝缘区段（白色部分）隔开，全部导电区段短接，最里层是公共端。图1中码盘共5个轨道，每轨道上均放置电刷，由导线与编码电路沟通。其精度一般为10～12位，最大轴角速度约500转/分，寿命超过25×106转。

以光学码盘为基础的模－数转换器。光电式编码器有光学码盘(可动光盘、静止光片)、光源和光电变换器等基本部分。光学码盘是用玻璃、塑料或金属制成的薄片，其上带有透光或不透光的条纹。对一般要求的光电编码器，其光学码盘只需可动光盘就可；分辨率高的编码器，其光学码盘是由可动光盘和静止光片组成。静止光片用以通过或阻挡光源与光电变换器之间的光线，也可以与可动光盘组成干涉光产生叠栅条纹。光源是白炽灯、发光二极管或光导纤维传导的光。目前，主要用发光二极管。光电变换器一般采用光敏元件组成。常用硅型器件可制成光敏二极管、三极管或光电池。为了方便使用，往往将光源与光电变换器组成一体，其间隙刚好放置可动光盘。光电式编码器，适应性强，其精度可达21位以上，转速达5000转／分，寿命为109转。虽然成本较高，但应用广泛，特别是在空间技术领域。

采用磁饱和原理实行编码。码盘由含铁素材料制成，并在上面按代码进行磁化而形成区段；检测器是软磁环形体，有两个绕组，一个作励磁，另一个作读取输出。当检测器环形体处于磁化区域，因磁化饱和产生低输出；当检测器环形体处于非磁化区域，因磁化不饱和而产生高输出。其精度一般为8位，转速高达10000转／分以上，寿命为6×109转。