光栅编码器介绍与应用

刘 帅

(北京慧摩森电子系统技术有限公司，北京，100083)

随着技术的不断发展，运动控制系统也逐渐从简单到复杂，由手动到自动。在一些高性能的伺服运动系统中，需要实时监测输出的状态，也就是反馈元件，反馈的精度一定程度上影响着系统的精度和性能。光栅编码器是现在运动伺服系统中精度较高的位置检测元件，广泛应用于高精度定位检测系统中，光栅编码器的了解和使用将越来越重要。

1 光栅编码器介绍

光栅编码器包括刻有光栅的尺子和电子反馈器件；光栅尺的实际作用就是检测位置信息，高精度的光栅尺是精密机械精度的一个重要影响因素，各个品牌的光栅也在不断的更新技术，提高光栅的精度，性能；精密仪器、精密机械是以后发展的重要方向，光栅尺的应用也更加的广泛。如图1所示。

光栅编码器一般应用是将读数头和光栅尺安装在两个相对移动的工件上，他们每移动一个栅距，输出信号便变化一个周期，通过周期的变化，来测量出相对位移；目前市面上使用的光栅编码器输出信号一般有三种，一种是两路相差90°的方波信号，也称数字信号，一种是两路相差90°的正玄信号，也称模拟信号，还有一种是串行输出，直接输出位置信息。

图1 光栅编码器示意图

光栅编码器的尺子一般为金属尺带和玻璃尺带两种，其中玻璃尺既可以是直线的，也可以是圆形的，即光栅码盘。同分辨率的金属尺带的价格较玻璃尺带稍便宜一些，性能也略差；高精度的光栅编码器的尺子多为玻璃尺带，玻璃尺的热敏系数等一些参数要优于金属尺子，不过玻璃尺的行程一般较短，金属尺在这方面就有较大的优势，金属尺的行程可以很长，可以有一定的弯折，安装也比较方便。

2 光栅编码器主要参数

光栅编码器的主要参数有：分辨率、精度、重复性、带宽等。在我们选择光栅的时候，首先要考虑它的精分辨率，要求的最小分辨率是多少，其次是精度，是否能满足系统的要求，还有就是输出频率；其他的还有一些安装要求，环境要求，维护等。选择合适的光栅，不仅可以让设备满足设计要求，还能节约成本，提升设备的整体性能。

使用者关心较多的还是光栅编码器的精度，没有精度的编码器就好比走不准的手表，除了装饰毫无用处。影响精度的因素有很多，下面简单介绍一下。光栅编码器是通过读取尺子上的光栅来获得位置信息，那是不是把尺子的栅距刻得越小越好呢？当然不是，不同的光栅编码器它的光电扫描原理不同，刻画的栅距也各不相同，通过电子细分做成不同分辨率的光栅编码器。分辨率一般通过对光学传感器产生的周期信号进行电信号插值或数字插值产生。

分辨率=0.25×（信号周期/插值系数）

上面提到插值技术，插值技术可以让光栅编码器的分辨率做到很小，很多朋友看到这里仿佛又看到了曙光，我们把分辨率做到特别小，无法想象的小，其实这样做并不能提升测量精度，光栅编码器自身的特性决定了它能达到的最大细分倍数，不过插值技术的优劣可是决定着能否改善系统性能，也就是精度；通过以上简单的叙述，总结一下影响精度的主要方面：（1） 光栅尺的精度；（2）线距或信号周期；（3）工作原理；（4）尺子的热敏系数：（5）插值技术；（6）信号质量。

3 光栅编码器的安装使用

光栅编码器是利用光学原理设计的位置传感器，它的安装设计要严格按照一定要求去做，否则信号质量受到影响或者根本无法读取到信号。不同系列的光栅编码器安装要求也不同，在设计时要仔细查看光栅的机械安装要求。以MicorE 的产品为例，一般的应用是将光栅尺固定在设备上，光栅读书头随运动部件运动。

如图2 所示，在设计机械安装时，为光栅读数头设计一个小小的支架，固定在工作台面上，光栅尺固定在一个可移动的台面上。在设计时，根据光栅安装机械手册，计算尺寸，选择合理的安装区域，为了光栅尺的安装方便，可以为其做一个基准面；读数头的安装支架设计，读数头固定在支架上，支架的固定孔可设计成长条孔，有一定的调节量，为光栅的信号调节做一个保障。

图2 光栅安装示意图

安装完成后，需要对光栅信号进行调整，MicorE 的大多数产品需要整定工具，连接到电脑上，通过软件查看信号的质量，并且可以设置一些可编程的量。在调节过程中，只需要调整一下读数头的安装位置，直到信号达到最好。

4 光栅编码器的信号接收

现在使用较多的光栅编码器有增量式和绝对式两种，绝对式的编码器直接输出位置信息，但价格较高。增量式编码器一般输出接口为A/B 相脉冲信号，也就是常说的正交编码信号，大多数驱动器或运动控制器都带有正交编码接口，使用也十分方便。

如果是自行设计的板卡，需要对正交编码进行计数，正交解码计数技术已经非常成熟。可以使用的数字集成芯片有很多，如专用正交解码芯片、可编程逻辑阵列、微控制器等。

专用型正交解码芯片现在使用较少，一是增加系统单元，而是增加系统成本。现在使用较多的是用DSP 或者FPGA 去做计数处理，这两者一般的控制系统中都需要用到，其中DSP 不仅有高速的运算能力，还有丰富的接口，在正交解码方面，有些DSP 自身带有QEI 正交解码电路，还带有数字滤波等功能。FPGA 使用比较灵活，可根据需求进行定制设计。

正交解码电路一般包括：接口电路、数字滤波器、方向解码电路、计数电路。光栅编码器输出信号多为TTL 电平的方波，A 相与B 相同宽度，相位相差90°，为了提高信号的可靠性，光栅编码器输出端一般为差分信号，如MicorE 系列产品，输出差分信号，符合RS422 总线标准。见图3 所示。

解码电路首先将光栅输出的信号进行转换，将差分信号转为单端信号；再由数字滤波器进行滤波，滤掉一些干扰信号，这里要注意滤波器的频率；方向解码电路通过判断A 相、B 相信号哪个超前90°，来判断正、反向；4 倍频电路在A 相、B 相信号的上升沿和下降沿都进行计数，由于A 相、B 相相差90°，计数产生的脉冲即为原来的4 倍。

图3 正交解码示意图

图4 4 倍频示意图

5 光栅编码器的精度

目前任何一种测量工具都有误差，光栅编码器也不例外，在一款光栅生产出来之后，它的一些参数就已经确定了，比如光栅栅距的误差，细分电路的优劣等，这些都无法再去改变。在一些超高精度系统中，如果产品已经选定，我们要想提高精度是不是可以呢？实际上我们可以通过一定的补偿手段，来进一步提高它的精度。对于圆光栅，影响其精度的主要是安装误差- 偏心率，这个参数对圆光栅的影响是非常严重，在安装时为了保证它的安装要求，有时还需要借助一定的工具。还有就是使用双读数头的方式消除一定的偏心误差，但成本也有一定的增加。直线光栅的补偿首先要对它本身的误差进行标定，获取一定的信息，再做出对应的解决方案。光栅编码器本身就是高精度的测量工具，要对它进行误差分析，就要使用更高精度的测量工具，一般使用激光干涉仪测定光栅，对数据进行分析之后，在控制系统中采取一定的补偿措施。

6 结束语

光栅编码器广泛应用于半导体和电子制造、自动化及机器人行业、运动控制子系统和无刷电机控制系统、医疗设备、测量仪表、宇航工程等行业。随着技术的更新，用户需求的增加，对光栅编码性能的要求也将也来越苛刻，光栅编码器一定会朝着更加智能化、更高性能、更微型、更方便的方向发展。

[1] 党安明，张钦军. 传感器与检测技术[M]. 北京：高等教育出版社，2011.122-143.

[2] 徐峰，李庆祥. 精密机械设计[M]. 北京：清华大学出版社，2005.36-40.

[3] 胡广书.数字信号处理导论[M]. 北京：清华大学出版社，2005.56-58.