📘 Вики Энкодера
Оптические энкодеры
Оптические энкодеры на основе дифракционных решёток и фотоэлектрического детектирования преобразуют вращательное или линейное перемещение в электрические сигналы. Это основной класс устройств обратной связи по положению для станков с ЧПУ, полупроводниковых платформ, прецизионных измерительных систем, робототехники и высокоуровневой автоматизации. Благодаря высокой разрешающей способности, малой ошибке подразделения (SDE) и отличной повторяемости оптические энкодеры широко применяются для позиционирования в диапазоне от нано- до микрометров.
Что такое оптический энкодер (What is an Optical Encoder)
Оптический энкодер — это датчик положения, работающий по цепочке источник света → оптическая решётка → фотоэлектрическое детектирование. Его ядро состоит из периодической шкалы/диска (Scale/Disk) и считывающей головки (Readhead): в заданном оптическом зазоре головка регистрирует полосы или интерференционную картину, формируемые при прохождении/отражении на решётке. После обработки аналоговым фронт-эндом (AFE) и схемами интерполяции/декодирования формируются выходы: инкрементальные A/B (с опорой Z), синус/косинус 1 Vpp, либо абсолютные серийные данные (SSI/BiSS/EnDat и др.).
По типу движения различают ротационные оптические энкодеры (диски) и линейные оптические энкодеры (шкалы). В отличие от косвенных оценок по винту/рейке, линейные энкодеры обеспечивают прямое измерение, существенно подавляя погрешности позиционирования из-за люфта, шага и теплового удлинения; ротационные энкодеры дают высокое угловое разрешение и обратную связь по скорости для двигателей и поворотных столов.
Принцип работы (Working Principle)
1) Изобразительный / муаровый метод (Imaging/Moiré)
- Структура: источник света (LED/VCSEL) → коллимационная/изобразительная оптика → маска/фазовая решётка → фоточувствительный массив.
- Механизм: относительное перемещение шкалы и опорной решётки в головке создаёт муаровые полосы, близкие к синусоиде/косинусоиде; интерполяция и коррекция амплитуды/фазы дают высокое разрешение по перемещению.
2) Интерференционный / фазовый метод (Interferential/Phase Grating)
- Механизм: фазовая разность между дифракционными порядками линейно меняется с перемещением; их суперпозиция даёт высокочистые синусоидальные сигналы, обеспечивая меньший SDE и более высокий потенциал разрешения.
3) Просветная и отражательная оптика
- Просветная: стеклянная/керамическая подложка; высокий SNR и линейность — для чистых условий и высокоточного позиционирования.
- Отражательная: металлизированные/покрытые отражающие решётки; компактная, удобная в монтаже, более чувствительна к загрязнениям — требуется герметизация, воздушная завеса/скребки.
4) Инкрементальная и абсолютная логика
- Инкрементальная: A/B-квадратурные импульсы (сдвиг 90°); направление — по опережению фазы; опорный Z — раз в ход/оборот.
- Абсолютная: уникальный код в любой точке (Binary/Gray) с возможными регистрами диагностики, температуры и состояния.
Приближённое линейное разрешение: Δx ≈ p / (N × M)
где p — шаг решётки, N — коэффициент аналоговой интерполяции (например, 100×), M — цифровое умножение (типично 4×).
Эквивалентное угловое разрешение (ротация): θ_res = 360° / (число линий × 4)
Классификация (Taxonomy)
- По движению: линейные / ротационные оптические энкодеры (диск)
- По выходу: инкрементальные (TTL/HTL/RS-422, 1 Vpp/11 µApp) / абсолютные (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, параллельные)
- По оптике: просветные / отражательные; изобразительные / интерференционные; амплитудные / фазовые решётки
- По исполнению: открытые (высокая динамика, низкое трение) / герметичные (IP65–IP67, стойкость к масляному туману и СОЖ)
- По диапазону/подложке: стекло/керамика (низкий КЛТР/CTE), стальная лента (большой ход), отражающие шкалы и др.
Ключевые узлы и сигнальная цепочка (Signal Chain)
- Источник света и оптика: LED/лазер; коллимация/фокус влияют на равномерность освещения и температурный дрейф; желательны старение и замкнутый контур регулирования мощности.
- Решётка/диск: шаг
p, скважность и фазовая точность определяют чистоту сигнала и SDE. - Фоточувствительный массив / AFE: многоканальное выборочное считывание; автокоррекция усиления/смещения/фазы (ABC).
- ASIC интерполяции/кодирования: коррекция амплитуды/фазы, эллипсная компенсация, цифровая фильтрация и подавление джиттера, кодирование протоколов, линейные драйверы.
- Физический уровень: RS-422 (дифференциальный), 1 Vpp / 11 µApp; терминирование (согласующее сопротивление) и трассировка кабелей (экранирование/заземление).
Выходы и интерфейсы (Outputs & Interfaces)
| Режим выхода | Типичный сигнал | Примечания |
|---|---|---|
| Инкрементальные прямоугольные | A/B (+Z), TTL/HTL/RS-422 | Высокоскоростной счёт PLC, контуры скорости/положения; на дальние расстояния — дифференциальный интерфейс |
| Синус/косинус | 1 Vpp, 11 µApp | Сверхвысокая интерполяция; SDE и джиттер зависят от качества тракта |
| Абсолютный сериал | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | Одно-/многооборотный абсолют, регистры диагностики/температуры/аварий |
| Полевые шины | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Мультиосевая синхронизация, распределённые часы, онлайн-конфигурация |
Оценка полосы (линейно): f_max ≈ (v / p) × edges
где v — линейная скорость, edges — число активных фронтов на период (например, при 4×).
Ключевые характеристики (Key Specifications)
| Параметр | Типичный диапазон / примечания |
|---|---|
| Разрешение | Линейно: 1 µm → 1 nm; Ротация: эквивалент до 24 бит |
| Линейная точность | Топ-оптика: ±1…±3 µm/m; Стандарт: ±3…±10 µm/m |
| Повторяемость | Линейно: ≤ ±0.1…±0.3 µm; Ротация: вплоть до субдуговых секунд |
| SDE (ошибка подразделения) | Качественный тракт 1 Vpp: ±20…±80 nm |
| Джиттер | Десятки нанометров; определяется AFE и фазовым шумом тактирования |
| Ошибки фазы/скважности | A/B: 90° ±(1…5)°; скважность 50% ±(2…10)% |
| Скоростные возможности | Линейно > 1 m/s; Ротация > 12 000 об/мин (зависит от интерфейса) |
| Стойкость среды | IP40 (открытые) до IP67 (герметичные); IEC 60068-2 вибрация/удары |
Монтаж и источники погрешностей (Installation & Error Sources)
- Оптический зазор и ориентация (pitch/roll/yaw) → дисбаланс амплитуд и рост SDE
- Погрешность Аббе: плечо × угловая ошибка; проводить измерительную линию через центр движения или компенсировать в ПО
- Косинусная погрешность (малые углы):
e ≈ (L × θ²) / 2 - Несоосность диска / биение вала (ротация): вводит фундаментальную/вторую гармонику угловой ошибки
- Тепловое расширение (КЛТР/CTE): стекло/керамика — низкий КЛТР; стальная лента требует термокомпенсации и плавающего крепления
- ЭМС/заземление: одноточечное заземление, корректное экранирование и пути возврата, избегать общих мод и контуров
Калибровка и компенсация (Calibration & Compensation)
- Линейное картирование: измерить ошибку лазерным интерферометром/ballbar и загрузить в LUT контроллера
- Компенсация теплового дрейфа: объединять температуры шкалы/станины с моделью CTE для коррекции в реальном времени
- Коррекция амплитуды/фазы и эллипса: адаптивное балансирование перед интерполяцией
- Стратегия референцирования: расстоянием-кодированные опорные метки сокращают путь до нуля и повышают воспроизводимость
Сравнение с другими принципами (Comparisons)
| Технология | Разрешение/точность | Устойчивость к среде | Типичный диапазон | Основные недостатки |
|---|---|---|---|---|
| Оптические энкодеры | ★★★★★ | ★★★ | Средний/дальний | Чувствительны к загрязнениям/конденсату, строгие требования к монтажу |
| Магнитные энкодеры | ★★☆ | ★★★★ | Дальний | Слабее линейность и SDE |
| Индуктивные/ёмкостные | ★★★ | ★★★★ | Средний | Влияние близких металлов/вихревых токов или влаги |
| Резольвер/потенциометр | ★★ | ★★★★★/★ | Средний/короткий | Меньшее разрешение или менее удобные интерфейсы |
Применения (Applications)
Станки с ЧПУ (линейные и поворотные оси), КИМ/CMM и метрологические платформы, полупроводниковая юстировка/экспонирование/инспекция, прецизионные столы, роботосочленения и мониторинг люфта редукторов, медицинская визуализация/лучевая терапия, синхронизация печати и упаковки, монтаж/инспекция SMT и высокоскоростная обработка.
Обслуживание и поиск неисправностей (Maintenance & Troubleshooting)
- Рутина: регулярная очистка (безворсовая салфетка + подходящий растворитель), контроль радиуса изгиба/экрана кабелей, мониторинг влажности и конденсата
- Типичные симптомы и меры:
- Потеря импульсов/фронтов: превышен зазор, загрязнение → юстировка/очистка/герметизация и воздушная завеса
- Рост SDE/джиттера: шум тракта AFE/интерполяции, плохое заземление → оптимизировать питание, трассировку и терминирование
- Сбой абсолютной связи: несоответствие параметров или полярности SSI/BiSS/EnDat → проверить длину кадра, CRC, тайминги, импеданс
- Угловые гармоники (ротация): несоосность/биение → улучшить концентричность и жёсткость подшипников; ввести гармоническую компенсацию
Руководство по выбору (Selection Guide)
- Целевая точность/повторяемость (µm/m или угл. секунды) и динамика скорости
- Принцип (просвет/отражение; изобразительный/интерференционный) и шаг
p - Интерфейс (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, полевые шины) vs полоса контроллера
- Исполнение и среда (открытое/герметичное; класс IP; СОЖ/пыль)
- Механика и термика (допуски зазора/углов; КЛТР; плавающий монтаж)
- Компенсация и диагностика (карта ошибок; регистры температуры/состояния; онлайн-сигнализация)
- Жизненный цикл (обслуживаемость кабелей/головок; доступность запчастей; калибровка)
Стандарты и нормативы (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (классы IP)
- IEC 60068-2 (вибрация/удары/температура-влажность)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (промышленная ЭМС: помехоустойчивость/эмиссия)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (испытания позиционирования и тепловых характеристик станков)
- ISO 10360 (верификация КИМ/CMM)
- ISO 14644 (требования к чистым помещениям)
Итоги: Глубокое понимание принципов, характеристик, интерфейсов и вопросов монтажа/компенсации оптических энкодеров позволяет обеспечить высокую точность, надёжность и диагностируемость при длительной работе в сложных условиях.