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採用旋轉軸結構的旋轉編碼器

( 01 Jul 2007 )
Jon Titus, 資深技術編輯

旋轉軸編碼器將角位置轉換成電力參數或數位編碼，電腦根據這些資料可確定所連接物件的位置。編碼器有兩種類型：絕對和增量型，多是依靠光電或磁感測器進行工作。兩種類型的編碼器都是將360°旋轉分成數百個或上千個相同間隔的單元或計數單位。這樣，工程師就可以選擇滿足自己需的角度解析度。絕對編碼器可標示出軸在360°旋轉中的特定位置，而增量位置說明了旋轉位置的改變。(也可以根據編碼器訊號計算出速度和加速度。)

典型的增量編碼器對每個增量提供了相位差為90°的兩個方波訊號。對兩種輸出的脈衝進行計數，就得到位置的相對變化。兩個訊號的相位關係(A導出B還是B導出A)說明了旋轉的方向，90°相位關係提供了這些位置感測器的別名“正交編碼” 。

計數器電路或微控制器(MCU)可以輕鬆地跟蹤位置變化，編碼器還可提供索引訊號，它每一周完整的軸旋轉中對應著相同位置。增量式編碼器與能返回到起始位置並開始跟蹤運動的設備可實現良好地配合。(光中斷器或限位元開關會指明“起始”位置。)切記，功率損失就意味著位置資訊的損失。

絕對編碼器對每軸的位置提供了唯一的輸出。10位元的編碼器可將旋轉分成2的十次方(1,024)個部分。選擇此類的編碼器，必須要知道軸在360°旋轉中的特定位置。功率損耗並不影響位置資訊。

因此，此處的10位輸出說明了軸在360°/1,024(0.35°)中的位置。一個n位的轉換器會將產生直接編碼二進位、灰階二進位或客製化的編碼。灰階編碼每個增量只改變一位，避免了會產生突波的多位轉換，如01111到10000。

Avago Technologies推出了兩種光學編碼器，可作為家庭設備或作為獨立的編碼盤和光學發射器/檢測器元件。工程師可簡便地將固定家庭編碼器到設備上，也可選擇匹配的編碼盤和發射器/檢測器元件，並將其加入自己設計的機械組合中。 Avago的應用工程師Thomas Yue警告工程師們，每個檢測器都有其特定的每吋解析度，必須適當地搭配編碼盤和檢測器。工程師們還可以設計和製造其自己的編碼盤，但多數人還買現成的。家庭編碼器具有標準安裝孔，可直接與多種馬達配合。

儘管工程師是希望將編碼器用於大型步進馬達，可攜消費電子產品中的馬達或定位器也可能使用編碼器。Avago的AEDR-84xx 系列堪稱是體積最小的編碼器，其檢測辨率可達254 lines/in. (10 lines/mm)。其他型號的Avago編碼器可產生16位元絕對位置的資訊。

Avago的Thomas Yue還提醒工程師們要檢查檢測器的頻率回應。“如果馬達以10,000rpm速率旋轉且編碼盤以2000單位/轉旋轉，每分鐘就會有2000萬個脈衝(每秒333K個)。因此必須選擇可提供333kHz以上頻寬的檢測器。”

Austriamicrosystems公司推出一種磁感測器，目前已有幾家公司將該產品用入到旋轉編碼器生產中。US Digital公司推出了小型絕對編碼器，可取代依靠電位計的手工控制。其MA2編碼器(29美元)提供了步進電壓斜波或PWM輸出，該輸出可確定10位解析度的位置。MCU可測量電壓或確定脈衝寬度，因為感測器晶片只測量旋轉磁軸產生的偏微分場，附近的馬達或其他設備雖有雜訊，但不會影響感測器。

US Digital發推出12位元的編碼器。“是一種可在長半徑(中心到外圓周的距離)應用中使用高解析度的編碼器，US Digital工程經理Jim Stevens解釋說。“所以在旋轉定位表和精確的遠鏡架中經常會用到12位元的設備。”

根據Stevens介紹，用戶喜歡PWM輸出，是由於它能以數位形式長距離地傳輸一個絕對位置。如果工程師不想測量脈衝寬度，可以在接收器中使用低通濾波器，並重建可用MCU的ADC測量的模擬訊號。

儘管編碼器供應商提供了多種每轉有標準計數的產品，某些設計還是需要特殊的計數。Sick Stegmann公司推出了可程式的增量式編碼器，用戶可預先設定每轉8192個計數，還可修改索引脈沖的寬度。因此，工程師們可以對本公司的DRS-21、-26、和61系列客製化所需計數量的編碼器。利用本公司的軟體和USB埠連接可隨時修改計數。

參考資料
• “IEEE 1588 Protocol Stack Product Documentation,” Real Time Systems. www.real-timesystems.com/ieee_1588_documentation.html.
• “Introduction to Distributed Clock Synchronization and the IEEE 1588 Precision Time Protocol,” National Instruments. www.ni.com. Search Developer Zone for “1588.”
• Eidson, John C., and Dan Pleasant, “Times Scales and IEEE 1588,” Part 2, LXIConnexion, July 2006, www.lxiconnexion.com.
• Mohl, Dirk, “IEEE 1588: Running Real-Time on Ethernet,” Industrial Networking. www.industrialnetworking.com.
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Figure 1

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