高精度绝对式编码器的研发与应用
2020-5-11 来源： 长春禹衡光学有限公司 作者：王庆贺 于海洋
一、概述
随着我国机床、伺服电机行业的迅速发展， 对伺服电机的转速、精度及功能作用的要求越来 越高，而伺服电机的这些功能主要取决于编码器 的精度，需要编码器有更高的采样精度和数据位 数。由于绝对值编码器在编码器内部所有位置值 在编码生成后，其量程内所有的位置均有一一对 应的代码（二进制、BCD 代码）输出。从代码 的大小变更，可以判定电机主轴的旋转方向，绝 对值编码器由机械位置决定每个位置的唯一性， 它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数， 什么时候需要知道位置什么时候就去读取它的位 置，这样大大增强了编码器的抗干扰性能。这使 绝对式编码器在数控机床及伺服电机领域得到广 泛的应用。
最早高精度、高位数的绝对式编码器 在我国一直是处于空白状态，极大地影响了我国 数控机床的发展。 后来国内绝对式编码器有了一定的进步，但 精度仍落后于国际先进水平，不能满足国内及国 际市场的需求。 为此长春禹衡光学有限公司申请了 “高档数 控机床与基础制造装备” 科技重大专项课题，并 联合华中科技大学、哈尔滨理工大学、沈阳第一 车床厂、武汉华大电机 、上海开通数控、广州 凯恩帝数控 、海诚跃电气、珠海市怡信测量等 公司共同开展高精度、高分辨力绝对式光栅旋转 编码器的研制。通过对绝对式编码器的整体结构 设计优化、性能分析、集成化信号处理的重新设 计、整机装配工艺的改善等核心任务的公关，长春禹衡光学有限公司完成了 HKD-2 高精度、高 转速绝对式编码器的设计与制造，取得了包括 3 项发明专利在内的 8 项专利。
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HND-2 绝对式编码器的外观
二、产品性能介绍
HND-2 是一款高精度适用于高转速主轴的 绝对式编码器，主轴采用 “台阶轴” 设计，无 需挡圈，提高轴系可靠性和抗负载能力。轴承 使用轴承钢 + 耐高温润滑脂，可以保证轴系在 120℃、10000r/min 的条件下长时间稳定工作， 且可提高轴系的使用寿命一倍左右。主体轴承孔 增加 “轴肩” 设计，提高轴系的可靠性和抗负载 能力。轴系设计中，创新开发了具有专利技术的 曲路密封设计（ZL 2014 20230953.2）: 主体 和光栅盘进行装配后，形成一个狭长的沟回，防 止在高速情况下，轴承润滑脂甩到编码器内部， 从而提高了产品的可靠性。
为提高编码器的分辨率和信号稳定性，长春 禹衡光学有限公司采用相位阵技术，可自动矫正 误差，使编码器的波形和相位不受光栅摆动、干扰、光栅污染、光衰减等诸多因素变化而改变， 进一步提高了编码器的使用寿命和稳定性。 同时，在原有的 BISS 协议和 SSI 协议的 基础上，长春禹衡光学有限公司采用自主开发 的 CPE 接口，并按其总线标准实现编码器数据 高速串行传输。CPE 总线标准规定了位移编码 器 CPE-Bus 总 线（Communication Protocol of Encoder Bus，编码器通信协议总线）的体系 结构、物理层、协议层，确立了用于编码器双向 串行数据通信传输的一般原则及包含应用 CPE- Bus 进行编码器数据传输而制定的基于 RS485 的通信协议规范。这种方式连接线少、传输距离 远、有数据校验机制，其可靠性和实时性能得到 保证 , 实现了系统与编码器之间的高分辨率数据 的实时交换。
CPE 协议是我国编码器行业第一个 串行通信标准协议，该协议将成为我国编码器的 行业标准。 主要计数指标为如下 : 绝对式输出形式 : 二进制 ; 分辨力 : 单圈 17 位以上、多圈 12 位以上 ; 时钟频率 :4MHz 以上 ; 增量输出波形 ( 附加功能 ):Sinus-Cosinus1 Vpp， 1024 线以上 ; 最大机械转速 :10000rpm 以上 ; 防护等级 : 具有防水、防油、防尘能力，IP54 以 上（ 封闭式编码器）; 工作温度 :-40℃ ~+125℃ ; 储存温度 :-55℃ ~+130℃ ; 支持 2 种及以上的国 际主流的编码器数据传输总线接口协议。开发 1 种自主知识产权的绝对式编码器全双工或半双工 同步串行数据传输总线接口协议。 高精度绝对式编码器 HND-2 与多摩川同类 产品对比具有以下优势 :
（1）温度系数稳定 : 金属本体 ; 适用范围宽 : 板簧的形状、尺寸可选。 （2）输出位数可选，可同时输出正余弦信号。 （3）准确度高，且温度特性好。 （4）同步串行协议，传输效率高。 （5）功耗低。 （6）防护等级高。 （7）抗污染能力强。 （8）发光管抗老化性强，采用发光补偿技术。 （9）使用温度范围宽，已经达到了国际前沿 产品的技术水平。
三、关键技术
高精度、高转速绝对式编码器的技术难点主 要体现在两方面 : 一方面，光电信号的转换处理。编码器在工 作时，光电信号的准确转换决定了编码器精度。 光电信号在转换时的精度受光源、光栅的刻划精 度或方式、光电传感器接收芯片所影响，因此需 要稳定的良好的光源、优化设计的高刻画精度光 栅以及高性能的光电接收器。本公司创新使用同 时输出模拟信号和数字信号的光电传感器接收 芯片，并获得了国家实用新型专利（专利号 ZL 2013 20611508.6）; 另一方面，编码器的可靠性设计。编码器的 可靠性越高，信号精度受外界环境的影响越小， 使用寿命也会提高。需要对编码器的功耗、整体 密封结构、电磁兼容性、软件设计的可靠性等进 行提高。本公司在线路上，电源入口处和信号输出端 口放置 TVS 管，可以吸收浪涌，起到对电路的 保护作用，同时 PCB 板采用多层板设计，进行 合理区分模拟地和数字地，提高 PCB 板的抗干 扰能力。同时本公司创新采用电子式多圈编码器 计圈的低功耗电路设计，并获得国家发明专利（专 利号 :ZL 2014 1 0197583.1）。
四、成果及应用推广
本课题成功研发的高精度绝对式编码器已成 功用于武汉华大新型电机科技股份有限公司，精 度均达到大型数控机床产品的技术要求。 通过本课题的研究，使我国高精度绝对式编 码器的技术得到了突破发展，达到了世界领先水 平，同时增强了我国高、精、尖装备的创新能力。 作为国内编码器设计生产制造商的先驱者，长春 禹衡光学义不容辞继续做好技术的创新，同时增 强国内编码器的市场竞争力。
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如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
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