高精度絕對式編碼器的研發與應用
2020-5-11 來源： 長春禹衡光學有限公司 作者：王慶賀 于海洋
一、概述
隨著我國機床、伺服電機行業的迅速發展， 對伺服電機的轉速、精度及功能作用的要求越來 越高，而伺服電機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據位 數。由于絕對值編碼器在編碼器內部所有位置值 在編碼生成后，其量程內所有的位置均有一一對 應的代碼（二進制、BCD 代碼）輸出。從代碼 的大小變更，可以判定電機主軸的旋轉方向，絕 對值編碼器由機械位置決定每個位置的唯一性， 它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數， 什么時候需要知道位置什么時候就去讀取它的位 置，這樣大大增強了編碼器的抗干擾性能。這使 絕對式編碼器在數控機床及伺服電機領域得到廣 泛的應用。
最早高精度、高位數的絕對式編碼器 在我國一直是處于空白狀態，極大地影響了我國 數控機床的發展。 后來國內絕對式編碼器有了一定的進步，但 精度仍落后于國際先進水平，不能滿足國內及國 際市場的需求。 為此長春禹衡光學有限公司申請了 “高檔數 控機床與基礎制造裝備” 科技重大專項課題，并 聯合華中科技大學、哈爾濱理工大學、沈陽第一 車床廠、武漢華大電機 、上海開通數控、廣州 凱恩帝數控 、海誠躍電氣、珠海市怡信測量等 公司共同開展高精度、高分辨力絕對式光柵旋轉 編碼器的研制。通過對絕對式編碼器的整體結構 設計優化、性能分析、集成化信號處理的重新設 計、整機裝配工藝的改善等核心任務的公關，長春禹衡光學有限公司完成了 HKD-2 高精度、高 轉速絕對式編碼器的設計與制造，取得了包括 3 項發明專利在內的 8 項專利。
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HND-2 絕對式編碼器的外觀
二、產品性能介紹
HND-2 是一款高精度適用于高轉速主軸的 絕對式編碼器，主軸采用 “臺階軸” 設計，無 需擋圈，提高軸系可靠性和抗負載能力。軸承 使用軸承鋼 + 耐高溫潤滑脂，可以保證軸系在 120℃、10000r/min 的條件下長時間穩定工作， 且可提高軸系的使用壽命一倍左右。主體軸承孔 增加 “軸肩” 設計，提高軸系的可靠性和抗負載 能力。軸系設計中，創新開發了具有專利技術的 曲路密封設計（ZL 2014 20230953.2）: 主體 和光柵盤進行裝配后，形成一個狹長的溝回，防 止在高速情況下，軸承潤滑脂甩到編碼器內部， 從而提高了產品的可靠性。
為提高編碼器的分辨率和信號穩定性，長春 禹衡光學有限公司采用相位陣技術，可自動矯正 誤差，使編碼器的波形和相位不受光柵擺動、干擾、光柵污染、光衰減等諸多因素變化而改變， 進一步提高了編碼器的使用壽命和穩定性。 同時，在原有的 BISS 協議和 SSI 協議的 基礎上，長春禹衡光學有限公司采用自主開發 的 CPE 接口，并按其總線標準實現編碼器數據 高速串行傳輸。CPE 總線標準規定了位移編碼 器 CPE-Bus 總 線（Communication Protocol of Encoder Bus，編碼器通信協議總線）的體系 結構、物理層、協議層，確立了用于編碼器雙向 串行數據通信傳輸的一般原則及包含應用 CPE- Bus 進行編碼器數據傳輸而制定的基于 RS485 的通信協議規范。這種方式連接線少、傳輸距離 遠、有數據校驗機制，其可靠性和實時性能得到 保證 , 實現了系統與編碼器之間的高分辨率數據 的實時交換。
CPE 協議是我國編碼器行業第一個 串行通信標準協議，該協議將成為我國編碼器的 行業標準。 主要計數指標為如下 : 絕對式輸出形式 : 二進制 ; 分辨力 : 單圈 17 位以上、多圈 12 位以上 ; 時鐘頻率 :4MHz 以上 ; 增量輸出波形 ( 附加功能 ):Sinus-Cosinus1 Vpp， 1024 線以上 ; 最大機械轉速 :10000rpm 以上 ; 防護等級 : 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℃ ; 儲存溫度 :-55℃ ~+130℃ ; 支持 2 種及以上的國 際主流的編碼器數據傳輸總線接口協議。開發 1 種自主知識產權的絕對式編碼器全雙工或半雙工 同步串行數據傳輸總線接口協議。 高精度絕對式編碼器 HND-2 與多摩川同類 產品對比具有以下優勢 :
（1）溫度系數穩定 : 金屬本體 ; 適用范圍寬 : 板簧的形狀、尺寸可選。 （2）輸出位數可選，可同時輸出正余弦信號。 （3）準確度高，且溫度特性好。 （4）同步串行協議，傳輸效率高。 （5）功耗低。 （6）防護等級高。 （7）抗污染能力強。 （8）發光管抗老化性強，采用發光補償技術。 （9）使用溫度范圍寬，已經達到了國際前沿 產品的技術水平。
三、關鍵技術
高精度、高轉速絕對式編碼器的技術難點主 要體現在兩方面 : 一方面，光電信號的轉換處理。編碼器在工 作時，光電信號的準確轉換決定了編碼器精度。 光電信號在轉換時的精度受光源、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 要穩定的良好的光源、優化設計的高刻畫精度光 柵以及高性能的光電接收器。本公司創新使用同 時輸出模擬信號和數字信號的光電傳感器接收 芯片，并獲得了國家實用新型專利（專利號 ZL 2013 20611508.6）; 另一方面，編碼器的可靠性設計。編碼器的 可靠性越高，信號精度受外界環境的影響越小， 使用壽命也會提高。需要對編碼器的功耗、整體 密封結構、電磁兼容性、軟件設計的可靠性等進 行提高。本公司在線路上，電源入口處和信號輸出端 口放置 TVS 管，可以吸收浪涌，起到對電路的 保護作用，同時 PCB 板采用多層板設計，進行 合理區分模擬地和數字地，提高 PCB 板的抗干 擾能力。同時本公司創新采用電子式多圈編碼器 計圈的低功耗電路設計，并獲得國家發明專利（專 利號 :ZL 2014 1 0197583.1）。
四、成果及應用推廣
本課題成功研發的高精度絕對式編碼器已成 功用于武漢華大新型電機科技股份有限公司，精 度均達到大型數控機床產品的技術要求。 通過本課題的研究，使我國高精度絕對式編 碼器的技術得到了突破發展，達到了世界領先水 平，同時增強了我國高、精、尖裝備的創新能力。 作為國內編碼器設計生產制造商的先驅者，長春 禹衡光學義不容辭繼續做好技術的創新，同時增 強國內編碼器的市場競爭力。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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