浅析增量型电感式编码器及其零位信号实现技术

浅析增量型电感式编码器及其零位信号实现技术

张精龙,王力,陈权

浙江锐鹰传感器技术有限公司，浙江省嘉兴市314000

摘要：目前增量式编码器中的零位通常是在增量码道的一侧再设置零位信号码道，同样地，需要在读数装置的增量读数区域外再设置与零位信号码道相对应的零位读数区域，但是会造成编码器的体积增大，不利于产品小型化，导致应用场景受限。本文研究的增量型电感式编码器及其零位信号实现技术意在使编码器具备高精度、高分辨率，减小编码器体积，有利于产品小型化，扩大了编码器的应用场景。

关键词：编码器 零位信号 电感式

前言

编码器是通过机械结构和信号处理电路将角位移或直线位移转换成电信号，从而实现对角位移、位置和速度等多种物理量的直接或间接测量。在增量式编码器中，位置的测量与计算必须以绝对零位作参考，因此编码器的绝对零位是增量编码器设计的核心要点之一，影响着增量式编码器的工作性能和测量精度。光电编码器，其具有分辨率高、测量范围广、精度高、使用可靠、易于维护、结构简单等优点，且有很高的性价比，已普遍应用于雷达、光电经纬仪、精密测角装置、机器人、回转台、伺服传动、数控机床以及高精度闭环调速系统中，是自动化系统中非常理想的角速度传感器1。随着光电编码器在工业自动化、航空航天领域的迅速发展，环境适应性差的问题越来越突出，工业生产对光电编码器的要求也是越来越高，不过这也正好促使了光电编码器行业的发展。机械加工技术的不断提高，促进了光电编码器系统的发展，未来的光电编码器一定是高分辨率、高精度、高频率响应、小型化和智能化。

1行业现状

传感器技术是现代科技的前沿技术，是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料学等众多学科相互交叉的综合性高新技术，是现代信息技术的三大支柱之一2。工业传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并将感受到的信息按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。工业传感器有许多种，在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监控生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。根据转换原理、用途、输出信号以及制作材料和工艺的不同，传感器可以有多种分类。其中按照检测功能和用途分类，位移传感器便是其中之一，在很多工业应用领域，位移传感器也被称为编码器。

我国传感器产业发展还面临国外技术和市场垄断、本土企业缺乏创新生态、技术本身的高门槛等方面的挑战。由此，传感技术及产品已成为制约我国智能感知与控制制造工业物联网等产业发展的瓶颈，而高精度位移传感器则是其中代表性的细分领域。由于受限于位移传感器的技术和国外品牌的垄断，导致很多相关领域的技术发展都受到了相应的制约3。

光电式位移传感器是目前实际工业应用中产品化程度最高的位移传感器，也就是俗称的光电式编码器。光电式传感器因具有易实现数字化、精度高、抗干扰素力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。目前，国产的光电式绝对值编码器，大量采用透射式码道进行实现，对于绝对位置的索引采用游标原理实现，透射式码道的基本结构是在光栅圆盘上开了一圈小孔，可见光的发射端与检测端分别位于光栅圆盘的两侧，利用光栅圆盘旋转后产生的脉冲信号来检测电机的旋转速度，但是在小型化应用场景中，不仅需要编码器小型化且厚度薄，还需要编码器高精度高分辨率，而透射式码道两侧均需要设置器件，这就导致编码器厚度设计具有局限性，同时基于游标解算原理的编码器，若要提高分辨率，只能通过增加码道的方式，同样会导致码盘尺寸增大，同样会增加编码器体积，由此在要求高分辨率、高精度、小体积的应用场景中，透射式光电编码器完全不占优势。

2技术方案

2.1编码器

增量型电感式编码器，包括金属码道、与金属码道实现相对运动的读数板，金属码道沿相对运动的方向开设有若干栅格，且若干栅格等间隔均匀排布设置，其中任意一栅格填充有用于作为金属码道基准零位的零位部件，读数板设置有用于反馈金属码道相对读数板的位移信息以及确定零位部件位置的读数部件。读数部件包括设置于读数板的激励线圈与接收线圈，激励线圈包围接收线圈设置，激励线圈与接收线圈分别与读数板的信号处理单元相连接。通过在激励线圈内通入高频交变电流，金属码道在交变磁场中产生感应电流，且在读数板与金属码道相对运动的过程中，由于金属码道上间隔设置的栅格会使接收线圈上的感应电压幅值随栅格的交替位移而产生周期性变化，进而得到具有一定相位差的两路正余弦信号，从而可进行计算得出金属码道相对读数板的位移信息。零位部件包括填充至任意一栅格内的金属块。填充金属块之后，使此处位置的金属面积有区别于金属码道的其他位置，则使读数板能够确定零位位置。

2.2零位信号

（1）采集读数板输出的A信号与B信号；

（2）对A信号与B信号进行信号处理以获得A1信号与B1信号；

（3）依据A1信号与B1信号，计算获得金属码道相对读数板的位移信息；

（4）依据A1信号与B1信号，计算获得信号幅值；

（5）判断是否已检测到零位位置；若否，则执行S6，若是，则执行S1；

（6）判断信号幅值是否小于预设的零位阈值；若是，则作零位位置处理，若否，则返回（1）。

3技术优势

当读数部件经过零位部件时，由于此时金属码道的一个栅格内填充了金属块，导致此处的金属面积比金属码道上其他位置的金属面积都要大，由于涡流效应，金属面积越大，遮挡接收线圈的面积越大，使接收线圈的磁场耗散的越多，从而使接收线圈在经过零位部件时其感应电压幅值会出现明显下降，进而可以确定此处为金属码道的零位基准位置，因此在单码道上实现零位基准位置的确定，减小编码器的体积，有利于产品小型化。

4实施方式

如图1与图2所示，增量型电感式编码器包括金属码道1、与金属码道1实现相对运动的读数板2，读数板2为PCB板，读数板2与金属码道1互相平行，金属码道1可以是沿圆周方向环绕设置，也可以是呈线性延伸设置，由此读数板2与金属码道1之间的相对运动可以是旋转运动，也可以是线性运动。金属码道1沿相对运动的方向开设有若干栅格3，若干栅格3等间隔均匀排布设置，从而使金属码道1形成周期性交替设置的金属区域与非金属区域。

参照图3，其中任意一栅格3填充有用于作为金属码道1基准零位的零位部件4，零位部件4包括填充至任意一栅格3内的金属块，金属块的材质与金属码道1的金属材质一致，使金属块与金属块周围的金属码道1本身形成一个完整金属区域，此处的金属区域宽度是金属码道1栅格3周期的N倍。读数板2设置有用于反馈金属码道1相对读数板2的位移信息以及同步确定零位部件4位置的读数部件5。读数部件5与金属码道1对应，同样的，读数部件5可以是沿圆周方向设置，也可以是沿线性方向延伸设置。

读数部件5包括布置于读数板2的激励线圈51与接收线圈52，接收线圈52内两个呈周期性变化的环路以相反的方向缠绕，激励线圈51包围接收线圈52设置，激励线圈51与接收线圈52分别与读数板2的信号处理单元相连接。当读数部件5经过零位部件4时，由于此时金属码道1的一个栅格3内填充了金属块，导致此处的金属面积比金属码道1上其他位置的金属面积都要大，由于涡流效应，金属面积越大，遮挡接收线圈52的面积越大，使接收线圈52的磁场耗散的越多，从而使接收线圈52在经过零位部件4时其感应电压幅值会出现明显下降，进而可以确定此处为金属码道1的零位基准位置。

结语

本文研究的增量型电感式编码器及其零位信号实现技术通过在金属码道的任意一栅格内填充金属块，从而使此处的金属面积区别于金属码道的其他位置，从而单码道即可确定零位位置，缩小编码器体积，有利于产品小型化，扩大编码器应用场景，同时采用后填充金属块的方式，可根据需求任意选取零位位置。本研究的增量型电感式编码器及其零位信号实现技术符合工业生产对光电编码器的要求，也可以更好地促使光电编码器行业的发展4。

参考文献

[1]李霞，姚金辉，宋兆谦.绝对式光电编码器在涵闸监控中的应用[C]//中国水利学会减灾专业委员会.第十三届防汛抗旱信息化论坛论文集.[出版者不详],2023:4.DOI:10.26914/c.cnkihy.2023.010437.

[2]张嘉鑫,李少康.基于Zynq-7010的光电编码器数据采集系统[J].内燃机与配件,2022,No.372(24):97-99.DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2022.24.008.

[3]祝荣财.传统光电编码器防震动抗干扰电路的优化[J].电子元器件与信息技术,2022,6(07):172-175.DOI:10.19772/j.cnki.2096-4455.2022.7.044.

[4]张策,田凯,金书辉等.一种增量式光电编码器抗干扰测速方法[J].天津科技,2022,49(02):37-39+42.DOI:10.14099/j.cnki.tjkj.2022.02.009.