目前拉繩位移傳感器(增量式編碼器)廣泛應(yīng)用於各種工業(yè)場(chǎng)合，用來(lái)測(cè)量位移，角度，線速度，角速度，或其他基於時(shí)間的物理量。IMC以前的白皮書(shū)介紹了一些利用一路或多路信號(hào)的拉繩位移傳感器(增量式編碼器)的功能及基本應(yīng)用。人們有時(shí)候不僅僅對(duì)移動(dòng)物體的速度感興趣，也對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向感興趣。通過(guò)增加另一路輔助信號(hào)可以獲取方向資訊，這路輔助信號(hào)與原先的信號(hào)保持固定的線性相位差。 在控制領(lǐng)域或其他需要高精度角度輸出的領(lǐng)域，例如機(jī)加工和差分轉(zhuǎn)速測(cè)量，編碼器的解析度至關(guān)重要。我們可以利用一路輔助的拉繩位移傳感器(增量式編碼器)信號(hào)來(lái)提高信號(hào)的解析度。最常見(jiàn)是倍頻技術(shù)，這可以得到4倍于原解析度的效果。如果需更高解析度，可利用增量式編碼器產(chǎn)生兩個(gè)相位差為90度的正弦信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種編碼器被稱(chēng)為SinCos編碼器，然后利用細(xì)分技術(shù)能得到比傳統(tǒng)方波編碼器更高的解析度。

本文還將介紹其他的一些提高速度測(cè)試精度的方法。最后，將介紹一種利用簡(jiǎn)便的編碼器電路來(lái)測(cè)量時(shí)間的方法。

物體運(yùn)動(dòng)方向的識(shí)別

為了得到運(yùn)動(dòng)方向，我們需要引入一路輔助的編碼器信號(hào)。一種簡(jiǎn)單的方法是利用“方向”信號(hào)，例如，高電平代表順時(shí)針?lè)较?，低電平代表逆時(shí)針?lè)较?。然而這個(gè)技術(shù)很難用於實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)榈退贂r(shí)方向的敏感性將導(dǎo)致信號(hào)的模糊。不過(guò)通過(guò)第二路信號(hào)我們可以很輕鬆地得到方向資訊還有其他更多的相關(guān)資訊。典型的兩路編碼器感測(cè)器可以生成2路信號(hào)，每個(gè)量都是在邏輯1和0之間變換，其占空比為50%。此外，由於調(diào)整了實(shí)際信號(hào)源，兩路信號(hào)間有固定的1/4週期差。

由於以上的這些規(guī)定，輔助信號(hào)Y從低變?yōu)楦邔⒖赡艹霈F(xiàn)在第一個(gè)X之前或者之后，這取決於運(yùn)動(dòng)的方向。因此，運(yùn)動(dòng)的方向可以從每個(gè)信號(hào)的上升沿的相對(duì)位置推斷出來(lái)。

圖1：方向的識(shí)別

利用倍頻技術(shù)提高解析度

上述方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以提高拉繩位移傳感器(增量式編碼器)的解析度。如上所述，已知兩路數(shù)位信號(hào)的採(cǎi)樣率，而一個(gè)脈衝產(chǎn)生於每個(gè)信號(hào)從高→低，或低→高的瞬間，因此脈衝信號(hào)的頻率是原信號(hào)頻率的4倍，從而解析度提高了4倍。一個(gè)基於此應(yīng)用而產(chǎn)生的感測(cè)器叫做正交編碼器。

圖2：通過(guò)將方波轉(zhuǎn)換成暫態(tài)脈衝實(shí)現(xiàn)倍頻

然而，當(dāng)從高→低的信號(hào)比例不是準(zhǔn)確的1：1的關(guān)系時(shí)，或者兩路信號(hào)的相位差不是1/4週期時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致一些錯(cuò)誤。例如：

圖3：由于周期偏離形成的非對(duì)稱(chēng)性脈衝

這種非對(duì)稱(chēng)性的脈衝將導(dǎo)致十分嚴(yán)重的錯(cuò)誤輸出。因?yàn)樗俣葴y(cè)量取決於時(shí)間的測(cè)量，而時(shí)間是相鄰兩個(gè)連續(xù)脈衝測(cè)得的，縮短或延長(zhǎng)的脈衝間隔都會(huì)造成不正確的變化的結(jié)果。

因此，基於正交演算法的拉繩位移傳感器(增量式編碼器)需要一個(gè)非常穩(wěn)定的機(jī)制來(lái)產(chǎn)生兩路信號(hào)。

細(xì)分技術(shù)--增加解析度

一般來(lái)講，拉線位移傳感器(增量式編碼器)輸出的信號(hào)有兩種狀態(tài)，高電平或低電平;例如通過(guò)比較電路比較一個(gè)源自於機(jī)械部件(例如齒輪、制動(dòng)盤(pán)等等)的信號(hào)得到上述信號(hào)。利用這些簡(jiǎn)單的信號(hào)，通過(guò)倍乘技術(shù)可以使信號(hào)的解析度提高，但是這樣有很大的局限性，因?yàn)閺倪@些脈衝中你只能得到比較有限的轉(zhuǎn)動(dòng)或平動(dòng)的資訊。

儘管使用更高解析度的編碼器可以提高解析度，但會(huì)受限於技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用的要求。更重要的是，由於增量式編碼器的固有特性，它不能在低脈衝速率下輸出連續(xù)的信號(hào)，在迴圈控制應(yīng)用時(shí)其功能大大受限。

然而，一種拉線位移傳感器(增量式編碼器)能從脈衝的邊緣提供一些資訊，這種元件能在所有的角度內(nèi)產(chǎn)生可預(yù)測(cè)的連續(xù)變化的信號(hào)。通過(guò)細(xì)分而極大的提高解析度。

圖4：傳統(tǒng)方波編碼器信號(hào)和sincos編碼器信號(hào)

通過(guò)這種方式來(lái)改善解析度的編碼器叫做Sincos編碼器，因?yàn)樗枰a(chǎn)生兩路正弦類(lèi)比信號(hào)，二者的相位差為90·. 每路正弦信號(hào)都是隨著轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程而不斷輸出的信號(hào)影響下產(chǎn)生的。

SinCos 感測(cè)器的插值技術(shù)(脈衝乘法器)

通過(guò)測(cè)試儀器來(lái)對(duì)類(lèi)比插值進(jìn)行直接計(jì)算可以顯著提高精確度，最常用的技術(shù)是用sincos編碼器來(lái)產(chǎn)生插值脈衝序列，或稱(chēng)為脈衝乘法器。通過(guò)這種方式轉(zhuǎn)換時(shí)兩路信號(hào)都進(jìn)行了一系列的權(quán)重比較，這些比較是由一些配置恰當(dāng)?shù)谋容^器完成的。為了求得加權(quán)的角度，需要一串具有理想信號(hào)特性的二進(jìn)位脈衝。這種方式需要10個(gè)20個(gè)或者更多的單路信號(hào)，而不僅僅是兩路。 更重要的是，參考位置與原始正弦信號(hào)的振幅是不相關(guān)的。

圖5：將Sincos編碼器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈衝相乘輸出的比較器電路

圖6：我們的180PPR解析度的Sincos編碼器模組(在一個(gè)元件里實(shí)現(xiàn))

以及36倍頻內(nèi)插值脈衝信號(hào)。這個(gè)例子里，角度=0·，10·，20·，30·…

關(guān)于利用Sincos編碼器測(cè)求絕對(duì)角度的技術(shù)

通過(guò)對(duì)Sincos編碼器內(nèi)的類(lèi)比信號(hào)進(jìn)行精確的計(jì)算，可以得到有效的高解析度信號(hào)，并且在低速或者靜止的時(shí)候也能得到準(zhǔn)確的資訊。我們以一個(gè)旋轉(zhuǎn)拉線位移傳感器(增量式編碼器)為例來(lái)理解這種工作模式，這個(gè)編碼器內(nèi)包含有一個(gè)均勻分割的轉(zhuǎn)盤(pán)。

這個(gè)圓盤(pán)被分成4個(gè)區(qū)，或者考慮成一個(gè)類(lèi)比信號(hào)的週期分成4段，每段為1/4T，然后我們用正弦或余弦信號(hào)來(lái)創(chuàng)建傳統(tǒng)的方波信號(hào)。同時(shí)抓取兩個(gè)類(lèi)比信號(hào)計(jì)算旋轉(zhuǎn)物件在每一個(gè)採(cǎi)樣點(diǎn)處精確的角度位置，而不僅僅是相對(duì)於每個(gè)分區(qū)的角度。

圖7：在直角坐標(biāo)系的一個(gè)週期內(nèi)求取位置，相當(dāng)於實(shí)際物理諧波編碼器信號(hào)的一個(gè)週期或一個(gè)片段

在一個(gè)有正弦和余弦函數(shù)的直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，比如SinCos編碼器，圓內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)都可以被表示出來(lái)。為了得到最佳的解析度，被計(jì)算的信號(hào)段應(yīng)該有足夠的線性度，因此只有圖示區(qū)域的Sincos編碼器信號(hào)才被採(cǎi)集。正是由於這個(gè)原因，如何確定圓周象限劃分就是一個(gè)很重要的步驟，只有這樣才能得到那些線性區(qū)域位置。表面上看，當(dāng)信號(hào)形狀接近三角波時(shí)，可以得到最佳精確度。

圖8：用來(lái)插值計(jì)算的信號(hào)段

當(dāng)結(jié)合位置資訊作為傳統(tǒng)編碼器使用時(shí)，儘管信號(hào)的精度通常僅提高10倍左右，但是其有效解析度可以提高256倍，相當(dāng)於1轉(zhuǎn)200000到300000脈衝。

Sincos編碼器的幅值取決於信號(hào)的頻率。對(duì)光電Sincos編碼器來(lái)講，信號(hào)的帶寬隨著頻率的增加而受限制，高次諧波成分的減少將導(dǎo)致它的形狀趨向於正弦而不是三角波。由於感測(cè)器加工過(guò)程中存在公差等原因，感測(cè)器的信號(hào)具有不對(duì)稱(chēng)性，這是導(dǎo)致誤差的另一個(gè)問(wèn)題。

為了使拉繩位移傳感器(增量式編碼器)有各種各樣的幅值而且也有很高的解析度，兩個(gè)信號(hào)將被同時(shí)採(cǎi)集，由正弦值與余弦值之比得到的正切值(或者餘切值，取決於象限)提供了角度資訊，這個(gè)資訊獨(dú)立於幅值。

在實(shí)際應(yīng)用中，由於磨損以及感測(cè)器加工誤差的存在，還需要對(duì)感測(cè)器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定可以在實(shí)際中通過(guò)分析一些性能良好、緩變的機(jī)械系統(tǒng)來(lái)完成。例如，一個(gè)品質(zhì)很大的旋轉(zhuǎn)器件，當(dāng)它下落時(shí)，可以用來(lái)記錄其旋轉(zhuǎn)時(shí)信號(hào)的實(shí)際歷程。

該技術(shù)主要的限制是由Sincos編碼器產(chǎn)生的信號(hào)不是完全的正弦狀。進(jìn)行插值計(jì)算可以提高解析度，但是它的效果總是小於利用高頻脈衝技術(shù)理論上得到的可行值。

Sincos編碼器最大的優(yōu)點(diǎn)是增加了靜態(tài)解析度;靜態(tài)時(shí)，仍然有中間插值。由於它提供了帶有精準(zhǔn)實(shí)際值的控制模組，因此更適合應(yīng)用於閉環(huán)控制中，從而避免了能夠引起更多損耗的殘餘波動(dòng)。

通過(guò)動(dòng)態(tài)路徑測(cè)量來(lái)增加精度

測(cè)量大品質(zhì)的旋轉(zhuǎn)物體如一些有大慣性的驅(qū)動(dòng)軸時(shí)(用Sincos編碼器或傳統(tǒng)的方波編碼器)，由於旋轉(zhuǎn)加速度的帶寬十分有限，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)路徑測(cè)量來(lái)增加測(cè)量的精確性，而這種方法不會(huì)提高測(cè)試的解析度：旋轉(zhuǎn)速度是由先前的採(cǎi)樣間隔得來(lái)的。因此，物體在一個(gè)採(cǎi)樣間隔的位置，或者具體的路徑，都能用來(lái)推算速度信號(hào)。這種推算能力只受限於電腦的資料處理能力，例如：

圖9：動(dòng)態(tài)路徑測(cè)量——分別用傳統(tǒng)的編碼器和Imc的編碼器測(cè)得的結(jié)果

在之前的一個(gè)採(cǎi)樣間隔內(nèi)(T1對(duì)12，T2對(duì)T3)我們用速度的一階推導(dǎo)來(lái)求出運(yùn)行軌跡(上述例子中，時(shí)間是T4)，不過(guò)前提是相對(duì)採(cǎi)樣間隔，變化率很小(例如物體的慣性足夠大的時(shí)候)。

通過(guò)脈衝累積，被測(cè)物體在編碼器脈衝和採(cǎi)樣瞬間時(shí)刻之間的這段時(shí)間路徑將被增加到整個(gè)運(yùn)動(dòng)路徑中。沒(méi)有這個(gè)過(guò)程，通過(guò)純粹的脈衝計(jì)數(shù)將導(dǎo)致測(cè)量的誤差，該誤差隨採(cǎi)樣間隔的不同而變化，因?yàn)槲恢眯盘?hào)脈衝(脈衝)和它的輸出之間(採(cǎi)樣時(shí)間)的實(shí)際差別是在變化的。

但是，底層測(cè)量的性質(zhì)限制了精度的提高;速度減小將造成每個(gè)採(cǎi)樣間隔之間脈衝的數(shù)目減少，測(cè)量的精度也會(huì)隨之減小。

利用動(dòng)態(tài)路徑技術(shù)來(lái)創(chuàng)建丟失波形的指示信號(hào)

根據(jù)編碼器的脈衝和採(cǎi)樣瞬間時(shí)刻之間的時(shí)間間隔可以獲得速度和運(yùn)動(dòng)路徑，這也是用於增量式感測(cè)器的技術(shù)，它利用一個(gè)很小的增量來(lái)區(qū)分初始脈衝(或指示脈衝)，而不是用一個(gè)單獨(dú)的0相位脈衝。 丟失的增量信號(hào)常常用來(lái)表示0相位脈衝。丟失脈衝所產(chǎn)生的速度的微小的變化被編碼器用來(lái)當(dāng)做初始脈衝，而且以這個(gè)位置為參考進(jìn)行接下來(lái)的計(jì)算。需要注意的是在一個(gè)採(cǎi)樣間隔內(nèi)脈衝應(yīng)該盡可能的多，這樣由於丟失脈衝引起的速度變化將會(huì)小之又小。

利用增量式編碼器的電路進(jìn)行脈衝時(shí)間測(cè)量

由IMC數(shù)采設(shè)備所配的編碼器電路模組功能相當(dāng)齊全，除了可以測(cè)量頻率，還可以測(cè)量信號(hào)傳遞時(shí)間。而且可以測(cè)量高低電平所持續(xù)的時(shí)間，或它們各自所占的比例，這些資訊被應(yīng)用到脈寬編碼信號(hào)，或脈寬調(diào)製。簡(jiǎn)單舉個(gè)例子，下面圖形顯示了脈衝長(zhǎng)度，或者稱(chēng)為占空比，這些都是與信號(hào)值成正比的。脈寬調(diào)製信號(hào)在電動(dòng)機(jī)械的控制中起了十分重要的作用，如電動(dòng)馬達(dá)控制器的應(yīng)用。

圖10：不同脈衝時(shí)間的測(cè)試

上述的這些分析擴(kuò)大了拉繩位移傳感器(增量式編碼器)的應(yīng)用。但是許多工程師不懂得這些技術(shù)，即使瞭解這些技術(shù)，也會(huì)由於缺少合適的輸入電路而不能利用編碼器信號(hào)的這些優(yōu)點(diǎn)。能夠?qū)崿F(xiàn)上述所有功能的增量式編碼器電路將是一個(gè)杰作。值得期待的是，imc 將提供這樣的系統(tǒng)：HRENC-4(高解析度編碼器模組)，這是CRONOS-PL測(cè)試平臺(tái)的一個(gè)可選模組。

圖11：高精度編碼器模組(HRENC-4)和萬(wàn)用測(cè)試系統(tǒng)CRONOS-PL4