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高精度絕對式（shì）編碼器的（de）研（yán）發與應用

2020-5-11 來源：長春禹衡光學有限公司作者：王慶賀於海（hǎi）洋

一、概述

隨著我國（guó）機床、伺服電機行業的迅（xùn）速發展，對伺服電機的轉速、精度及功能作用的要求越（yuè）來越高，而伺服電機的這些功能主要（yào）取決於編碼（mǎ）器的精度，需要編碼器有（yǒu）更高的采樣精度和數據位（wèi）數。由於絕對值編碼器（qì）在（zài）編碼器內部所有位置值在編碼生成後，其量程內（nèi）所有的位置均有一一（yī）對應的代碼（mǎ）（二進製、BCD 代碼（mǎ））輸出。從代碼（mǎ）的大小（xiǎo）變更，可以判定電（diàn）機主軸的旋轉方向，絕對值編碼器由機械位（wèi）置決定每個位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點（diǎn），而且不用一直計數，什麽時候需要知道（dào）位置什麽時候就去讀（dú）取它的位置，這樣大大增強了編（biān）碼器的抗幹擾性能。這使絕對式編碼器在數控機床及伺服（fú）電機（jī）領域得到廣泛的應用。

最早高精度（dù）、高位數的絕對式編碼器在我國一直是處於空白狀態，極大地影響了（le）我國（guó）數控機床（chuáng）的發展。後來國內絕（jué）對式編碼器有了一定的進步，但精度仍落後於國際先進水平，不能滿足國內及國際市場的需求。為此長春禹衡光學有（yǒu）限公司申請（qǐng）了 “高（gāo）檔數控機床與基礎製造裝（zhuāng）備” 科技重大專（zhuān）項課題，並聯合華中科技（jì）大學、哈爾濱理工大學、沈陽第一車床（chuáng）廠、武漢華大電機、上海開通數控、廣州凱（kǎi）恩（ēn）帝數控、海誠躍（yuè）電（diàn）氣（qì）、珠海市怡信測量等公司共同開展高精度、高分辨力絕對式（shì）光柵旋轉編碼器的研製。通過對絕對（duì）式編（biān）碼（mǎ）器的整體結構設計優化、性能分析、集成（chéng）化信號處理的重新設計、整機裝配工（gōng）藝的（de）改善等核心任務（wù）的（de）公關，長春禹衡光學有限公司完成了 HKD-2 高精度、高轉速絕（jué）對式編碼器（qì）的設（shè）計與製造（zào），取得了包括 3 項發明專利在內的 8 項專利。

HND-2 絕對式編碼器的外觀

二、產品性能介紹（shào）

HND-2 是一（yī）款高精度適用於高轉速主軸的絕對式編碼器（qì），主軸采用 “台階軸（zhóu）” 設計，無需擋圈，提（tí）高軸係可靠性和抗負載能力。軸承使用軸承鋼 + 耐高溫潤滑脂，可以保證軸係（xì）在 120℃、10000r/min 的條件下長時間穩定（dìng）工作，且可提高軸係的使用壽（shòu）命一倍左（zuǒ）右。主體軸承孔增加 “軸肩” 設計，提高軸係的可靠性和抗負載能力。軸係（xì）設計中（zhōng），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後，形成一個狹長的溝回，防止在高速情況下（xià），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（de）分辨率和信號穩定性，長春禹衡光學有限公司采用相位陣（zhèn）技術，可（kě）自（zì）動矯正誤（wù）差，使編（biān）碼器的波形和相位不受光柵擺動、幹擾、光柵汙染、光衰減等（děng）諸多因素變化而改（gǎi）變，進一（yī）步提高了編碼器的使用壽命和穩定性。同時，在原（yuán）有的 BISS 協議和 SSI 協議的基礎上，長（zhǎng）春禹衡光學有限公司采（cǎi）用自（zì）主開（kāi）發的 CPE 接口，並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（xìn）協議總線）的體係結構、物理層、協議層（céng），確立了用於（yú）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製定的（de）基於 RS485 的通信協議規範。這種方式連接線少、傳輸距離（lí）遠、有數據校驗機製，其可（kě）靠（kào）性和實時性能（néng）得到保證 , 實現了係統與編碼器之間的（de）高分辨率數據的實時交換。

CPE 協議是我國編碼器行業（yè）第一個（gè）串行通信標準協議，該協議將成為我國（guó）編碼器的行業標準。主要計（jì）數（shù）指標為如下 : 絕對式輸出形式 : 二進製 ; 分辨力 : 單圈 17 位以上、多圈 12 位以（yǐ）上 ; 時鍾頻率（lǜ） :4MHz 以上（shàng） ; 增量輸出（chū）波形 ( 附加功能 ):Sinus-Cosinus1 Vpp， 1024 線以（yǐ）上 ; 最大機械轉速（sù） :10000rpm 以上 ; 防護等（děng）級 : 具有防水、防油、防塵能力，IP54 以上（封（fēng）閉式編碼器）; 工（gōng）作溫度 :-40℃ ~+125℃ ; 儲存溫度 :-55℃ ~+130℃ ; 支（zhī）持 2 種及以（yǐ）上的（de）國際主流的編碼器數據傳輸總線接口（kǒu）協議。開發 1 種自主知識產（chǎn）權的絕對式編碼器全（quán）雙工或半雙工同步串行數據傳（chuán）輸總線接口協議（yì）。高精度絕對式編碼器（qì） HND-2 與多摩川同類產品對比具有（yǒu）以下優勢 :

（1）溫度係數穩定 : 金屬本體 ; 適用（yòng）範圍寬 : 板簧的形（xíng）狀、尺寸可選。（2）輸出位數可選，可同時（shí）輸出正（zhèng）餘弦信號。（3）準（zhǔn）確度（dù）高，且溫度特（tè）性好。（4）同步串行協議，傳輸效（xiào）率高。（5）功（gōng）耗低。（6）防護（hù）等級高。（7）抗汙染能力強。（8）發光管抗老化性強，采（cǎi）用發（fā）光補（bǔ）償技（jì）術。（9）使用溫度範圍寬，已經達到了國際（jì）前沿產品的技術水平。

三、關鍵（jiàn）技術

高精度、高轉速絕對（duì）式編碼器的技術難（nán）點主要體現在兩方麵（miàn） : 一方麵，光電信號的轉（zhuǎn）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（fāng）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（gōng）司創新使用同時輸出（chū）模（mó）擬信號和數字信號的光（guāng）電傳感器接收芯片，並獲得（dé）了國家實用新型專利（專利號 ZL 2013 20611508.6）; 另一方麵，編碼器的可靠性設（shè）計。編碼器的可靠性越高，信號精度受（shòu）外（wài）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（hào）輸出（chū）端口放置 TVS 管，可以吸（xī）收（shōu）浪湧（yǒng），起到對電路的保護（hù）作用，同（tóng）時 PCB 板采用多（duō）層板設計，進行合理區分模擬地和數字地，提高（gāo） PCB 板的抗幹擾能力。同時本（běn）公司創（chuàng）新（xīn）采用電（diàn）子式多圈編碼器計圈的低功耗電路設計，並獲得國家發明專利（lì）（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（duì）式（shì）編碼器已成功用於武漢華大新型電機科技股份有限（xiàn）公司，精（jīng）度均（jun1）達（dá）到大型數控機床產品的技術要求（qiú）。通過本課題的研究（jiū），使我國高精度（dù）絕對式（shì）編碼器的技術得到了突破發展，達到了世界領先（xiān）水平，同時（shí）增強了我國高、精、尖裝備的創新能力。作為國（guó）內編碼（mǎ）器設計生產製造商的先驅者，長春禹衡光學義（yì）不容辭（cí）繼續做好技術的創（chuàng）新，同時增強國（guó）內編碼器的市場競爭力。

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