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(tǒng)，均須配置相關(guān)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(shù)中的主要單元，這些系統(tǒng)的能力取決于解析度、精度、重覆性、量測范圍以及最大速度，因此量測儀器的解析度、精度、重覆性、量測范圍以及最大反應(yīng)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(guī)，圓形有如刻度盤，在大多數(shù)情況下線寬與間距的寬度相等亦即明暗等距，在測量長度時采用長光柵，測量角度采用圓光柵。 線寬與間距和稱為光柵的柵距，制造光柵的方法分為直接刻劃、曝光復(fù)制與滾壓制造等，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(zhuǎn)編碼器的基本原理與設(shè)計包含光源、光柵、光偵測器及訊號分析介紹。

一、旋轉(zhuǎn)編碼器種類

旋轉(zhuǎn)編碼器可作為旋轉(zhuǎn)運動、角速度測量感測器，也可與機械測量載體，例如導(dǎo)螺桿聯(lián)用，用于測量直線運動。 應(yīng)用領(lǐng)域包括馬達、工具機、木工機械、紡織機械、機器人和運送設(shè)備以及各種測量、測試和檢驗設(shè)備。

旋轉(zhuǎn)編碼器可分為應(yīng)用光學(xué)光柵原理和磁性磁柵原理兩類，由于使用光學(xué)光柵原理的光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器比使用磁性原理的磁式旋轉(zhuǎn)編碼器具有精度高，光感測元件來源較多，與容易制作等優(yōu)點，光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器目前在技術(shù)與生產(chǎn)產(chǎn)量上皆居于主流地位。 但由于應(yīng)用磁性磁柵原理的磁式旋轉(zhuǎn)編碼器抗環(huán)境污染能力強，于編碼式定位量測系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)編碼器市場上仍占一席之地。

光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器主要是由中心軸、主光柵盤、副光柵、發(fā)光二極體及光偵測器組成。 LED的光源可以經(jīng)由主光柵盤、副光柵至光偵測器，當主光柵盤隨中心軸旋轉(zhuǎn)時，光偵測器便收到不同的光源并依次產(chǎn)生訊號。 旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)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(zhuǎn)編碼器在角度測量和角速度測量較絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器更具有廉價和簡易的優(yōu)勢。 但針對高精度的伺服系統(tǒng)而言，提高伺服系統(tǒng)的精度，首先必須提高位置反饋的精度，因此隨著精度要求的提升，絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器日漸重要。

光學(xué)式軸編碼器主要構(gòu)成為一個可旋轉(zhuǎn)圓盤，其周圍邊緣有許多細縫之槽孔。 在圓盤的一側(cè)放置光源，另一例放置光感測器。 當圓盤旋轉(zhuǎn)時，光感測器即接收到on-off的脈波，計算脈波的數(shù)量，即可計算出旋轉(zhuǎn)的角度或位移長度。 光學(xué)式軸編碼器，可分為增量式及絕對式編碼器兩種型式，兩者主要差別在于輸出信號不同，前者輸出為A、B相之方波；后者輸出為特定之數(shù)位碼，在編碼器解析度范圍內(nèi)之任一角度，均有唯一之碼對應(yīng)。

A. 增量型光學(xué)編碼器一旋轉(zhuǎn)軸帶動刻有光柵的圓盤，兩側(cè)分別擺放發(fā)光二極體與光電檢測器，發(fā)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(zhuǎn)光電晶體將持續(xù)送出on與off訊號，我們只要記錄訊號出現(xiàn)的數(shù)目即可計算出旋轉(zhuǎn)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(yù)，B兩路信號，對原脈沖進行倍頻。

B. 絕對光學(xué)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(quán)分割成等距的區(qū)段，外層軌道為最低位，內(nèi)層軌道為最高位。 二進制碼優(yōu)點是可直接進入計算機工作，但它在交界面上會出現(xiàn)錯讀，并且隨著碼盤輸出值的增加，讀數(shù)誤差也伴隨增大。 例如在二進制碼盤，0與15的交界面上，由于工藝和裝配的因素可能讀成1111或0000以外，任何數(shù)字都可出現(xiàn)，即發(fā)生非單值性，這就產(chǎn)生讀數(shù)誤差。

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器量測目前位置的方式由原點開始計數(shù)量測步距，或細分割信號周期并計數(shù)，增量式編碼器具有參考點，開機時必須執(zhí)行原點復(fù)歸操作，以建立機械基準點。 具換向信號的旋轉(zhuǎn)編碼器可提供轉(zhuǎn)軸的角度位置而無需測量前移動，其精度足以正確地控制永磁式三相馬達旋轉(zhuǎn)磁場的相位。 而絕對式角度編碼器和旋轉(zhuǎn)編碼器無需執(zhí)行原點復(fù)歸就能直接量測目前位置值。 單轉(zhuǎn)式是絕對編碼器可提供一轉(zhuǎn)內(nèi)的位置值，而多轉(zhuǎn)式編碼器還能區(qū)分不同轉(zhuǎn)數(shù)的位置值。 由于增量編碼器比絕對編碼器使用碼盤軌道少，這樣，它的導(dǎo)線數(shù)、滑環(huán)數(shù)、讀出器、電路和顯示元件保持最低，使得系統(tǒng)可靠性增大，成本降低。 因此，現(xiàn)代系統(tǒng)多傾向采用增量編碼器。 增量編碼器主要缺點是測量僅相對于一個固定點，假如這個點有誤差，整個系統(tǒng)受損害。 另一個問題是當電源出現(xiàn)故障時，常常導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，須使用輔助數(shù)據(jù)記憶技術(shù)，以防止丟失。

二、光學(xué)式編碼器基本原理

光學(xué)式編碼器依其形狀分為圓形及線型（光學(xué)尺）兩種，依檢測方式分平行狹縫方式、莫爾條紋方式、縱向條紋方式，依光學(xué)特性分反射式及穿透式兩種。 目前光學(xué)式編碼器大部份采用平行狹縫方式，基本光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器之設(shè)計如圖1所示，其原理為使用一個帶有主光柵之碼盤（main scale）及副光柵（Index grating ）、光源及光偵測模組。 碼盤、副光柵相對轉(zhuǎn)動，通過之光強產(chǎn)生變化，形成周期性三角波訊號，因繞射關(guān)系實際輸出波型近似正弦波如圖，輸出訊號周期與主光柵之柵距相同，因此通過計數(shù)器可數(shù)出碼盤、副光柵相對轉(zhuǎn)動角度。 因應(yīng)定位系統(tǒng)的需求，旋轉(zhuǎn)編碼器必需有A、A1、B、B1、Z1及Z2等六個訊號輸出，傳統(tǒng)設(shè)計上就必需有六對光源與光偵測器模組，光源部份其目的在發(fā)出近似平行的紅外光，穿過光柵，到達光偵測器，副光柵作用是與主光柵重疊以產(chǎn)生位移訊號，副光柵上共分成A、A1、B、B1、Z1及Z2，Z之設(shè)計是在每圈產(chǎn)生寬度在柵距內(nèi)之脈沖訊號做為參考，又稱為零位光柵。 最后由光偵測模組將光強訊號轉(zhuǎn)為電流訊號。 以下將分別針對各模組一一介紹。

圖1 基本光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)造

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