📘 Kodarewiki
Optiska enkodrar
Optiska encoders bygger på optiska gitter och fotoelektrisk detektion för att konvertera rotations- eller linjärförflyttning till elektriska signaler. De är den dominerande positionsåterkopplingen i CNC-maskiner, halvledarplattformar, precisionsmetrologi, robotik och avancerad automation. Tack vare hög upplösning, låg underindelningsfel och utmärkt repeterbarhet används optiska encoders i stor utsträckning för nano- till mikrometernivåns positionering.
Vad är en optisk encoder (What is an Optical Encoder)
En optisk encoder är en sensor som hämtar positionsinformation via kedjan ljuskälla — optiskt gitter — fotoelektrisk detektion. Kärnan består av en kodskiva/linjärskala (Scale/Disk) med periodisk struktur och ett läshuvud (Readhead). Läshuvudet läser, i en definierad optisk luftspalt, de interferens- eller randmönster som bildas av gittertransmission/reflektion och bearbetar dem i ett analogt front-end och interpolerings-/dekodersteg för att ge inkrementella A/B-kanaler (med eventuell Z-referens), sinus/kosinus 1 Vpp, eller absolut positionsdata över seriella protokoll (SSI/BiSS/EnDat m.fl.).
Efter rörelseform delas de in i roterande optiska encoders (kodskiva) och linjära optiska encoders (skala). Jämfört med indirekt mätning via kulskruv/kuggstång möjliggör en linjär optisk encoder direktmätning, vilket kraftigt dämpar positioneringsfel från glapp, stigningsfel och termisk längdutvidgning; roterande encoders ger motorer och rundbord högupplöst vinkel- och hastighetsåterkoppling.
Funktionsprinciper (Working Principle)
1) Avbildande/Moiré (Imaging/Moiré)
- Struktur: ljuskälla (LED/VCSEL) → kollimerings-/avbildningsoptik → mask/våghila (fasgitter) → ljuskänsligt array.
- Mekanism: relativ förskjutning mellan skalan och referensgittret i läshuvudet genererar Moiré-juvar som är nära sinus/kosinus; interpolering och amplitud-/fasbalansering ger högupplöst förflyttning.
2) Interferentiell/fasgitter (Interferential/Phase Grating)
- Mekanism: fasdifferensen mellan diffraktionsordningar varierar linjärt med förflyttning; superposition ger mycket rena sinusvågor och därmed lägre SDE (Sub-Division Error, underindelningsfel) och högre upplösningspotential.
3) Transmission vs. reflektion
- Transmission: glas-/keramisk substrat; hög SNR och god linearitet — lämpar sig för rena miljöer och högprecision.
- Reflektion: metalliserat eller belagt reflektionsgitter; kompakt och installationsvänligt men känsligare för kontaminering — kräver god tätning och luftslöja/skrapa.
4) Inkrementell och absolut utgångslogik
- Inkrementell: A/B-kvadratur (90° fas), riktning bestäms av fasordning; Z-referens en gång per mätområde/varv.
- Absolut: unik kod på varje position (binär/Gray), ofta med diagnostik-, temperatur- och statusregister.
Approximerad linjär upplösning: Δx ≈ p / (N × M)
där p = gitterperiod, N = analog interpoleringsfaktor (t.ex. 100×), M = digital kantmultiplikation (typiskt 4×).
Ekvivalent vinkelupplösning (roterande): θ_res = 360° / (linjetal × 4)
Klassificering (Taxonomy)
- Efter rörelseform: linjär optisk encoder / roterande optisk encoder (kodskiva)
- Efter utgång: inkrementell (TTL/HTL/RS422, 1 Vpp/11 µApp) / absolut (SSI, BiSS-C, EnDat 2.2, parallell)
- Efter optisk realisering: transmission / reflektion, avbildande / interferentiell, amplitudgitter / fasgitter
- Efter kapsling: öppen (hög dynamik, låg friktion) / inkapslad (IP65–IP67, tålig mot oljedimma och kylvätska)
- Efter mätlängd/substrat: glas/keramik (låg CTE), stålband (långa slag), belagda reflektionsgitter m.m.
Nyckelkomponenter och signalkedja (Signal Chain)
- Ljuskälla och optik: LED/laser, kollimering/fokusering; avgör belysningsjämnhet och termal drift; kräver åldring och effektreglering i slinga.
- Gitter/kodskiva: gitterperiod
p, duty cycle och fasgeometri styr signalrenhet och SDE. - Ljussensorer/AFE: flerkanaligt sampel, automatisk gain/offset/fasbalans (ABC-balans).
- Interpolerings-/kodnings-ASIC: amplitud-/fasrättning, ellipskompensering, digital filtrering och jitterdämpning, protokodning och line drivers.
- Fysisk lager: RS422-differential, 1 Vpp/11 µApp, termineringsimpedans och kabeldragning (skärmning/jordning).
Utgångar och gränssnitt (Outputs & Interfaces)
| Utgångstyp | Typisk signal | Beskrivning |
|---|---|---|
| Inkrementell fyrkant | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | PLC-snabbräknare, hastighets-/positionsslinga; differential föredras för långa avstånd |
| Sinus/kosinus | 1 Vpp, 11 µApp | Mycket hög interpoleringsupplösning; SDE och jitter beror på kedjans kvalitet |
| Absolut seriell | SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 | En-/fleromvarvsabsolutvärde, diagnostik-/temperatur-/larmregister |
| Fältbuss | EtherCAT, PROFINET, CANopen | Multiaxelsynkronisering, distribuerade klockor, online-konfiguration |
Bandbreddsestimat (linjär): f_max ≈ (v / p) × edges
där v = linjärhastighet och edges = giltiga flankar per period (t.ex. 4×-räkning).
Prestandaparametrar (Key Specifications)
| Parameter | Typiskt intervall/anmärkning |
|---|---|
| Upplösning | Linjär: 1 µm → 1 nm; roterande: ≤ 24-bit ekvivalent |
| Linjär noggrannhet | High-end optik: ±1–±3 µm/m; standard: ±3–±10 µm/m |
| Repeterbarhet | ≤ ±0,1–±0,3 µm (linjär); vinkeltyper ner till subbågsekund |
| SDE (underindelningsfel) | Kvalitativ 1 Vpp-kedja: ±20–±80 nm |
| Jitter | Tiotal nanometer; bestäms av AFE och klockans fasbrus |
| Fas-/duty-fel | A/B-fas 90° ±(1–5)°; duty cycle 50 % ±(2–10) % |
| Hastighetskapacitet | Linjär > 1 m/s; roterande upp till 12 000+ rpm (beroende på gränssnitt) |
| Miljöklassning | IP40 (öppen) till IP67 (inkapslad), IEC 60068-2 vibration/stöt |
Installation och felkällor (Installation & Error Sources)
- Luftspalt och orientering (pitch/roll/yaw): avvikelser → amplitudobalans och ökad SDE
- Abbe-fel: offset × vinkel; för mätlinjen genom rörelsecentrum eller kompensera i mjukvara
- Cosinusfel (liten-vinkel-approx.):
e ≈ (L × θ²) / 2 - Excentricitet/kast (runout) på kodskiva/axel (roterande): introducerar grundton/andra harmoniska vinkelavvikelser
- Termisk utvidgning (CTE): låg för glas/keramik; stålband kräver termisk kompensation och flytande montage
- EMC/jordning: enpunktsjord, korrekt skärmning och returvägar; undvik common-mode och slinga
Kalibrering och kompensation (Calibration & Compensation)
- Linjär felkarta: mät felkurva med laserinterferometer/ballbar och lägg in i styrsystemets LUT
- Termisk driftkompensation: korrigera i realtid via skala-/maskintemperatur och CTE-modell
- Amplitud-/fas-/ellipsbalans: adaptiv balansering före interpolering
- Referensstrategi: distanskodade referensmärken förkortar hemkörningssträcka och förbättrar reproducerbarhet
Jämförelse med andra principer (Comparisons)
| Teknik | Upplösning/noggrannhet | Smuts-/miljötålighet | Typisk mätlängd | Huvudsakliga begränsningar |
|---|---|---|---|---|
| Optisk encoder | ★★★★★ | ★★★ | Medel/lång | Känslig för kontaminering/kondens; höga installationskrav |
| Magnetisk encoder | ★★☆ | ★★★★ | Lång | Svagare linearitet och SDE |
| Induktiv/kapacitiv | ★★★ | ★★★★ | Medel | Känslig för metallnärhet/virvelströmmar eller fukt |
| Resolver/potentiometer | ★★ | ★★★★★/★ | Medel/kort | Lägre upplösning eller mindre intuitiva gränssnitt |
Tillämpningar (Applications)
CNC (linjära och roterande axlar), CMM och metrologiplattformar (koordinatmätmaskiner), halvledar-inriktning/exponering/inspektion, precisionsrörelsebord, robotleder och växelspelsövervakning, medicinsk bild/strålterapi, synkronstyrning i tryck/förpackning, SMT-placering/inspektion samt höghastighetshantering.
Underhåll och felsökning (Maintenance & Troubleshooting)
- Rutiner: regelbunden rengöring (luddfri duk + lämpligt lösningsmedel), kontroll av kabelns böjradie/skärmning, övervakning av temperatur/fukt/kondens
- Vanliga symtom och åtgärder:
- Förlorade pulser/flankar: luftspalt utanför tolerans, skymning/förorening → justera orientering/rengör/lägg till tätning och luftslöja
- Ökad SDE/jitter: brus i AFE/interpoleringskedja, dålig jordning → optimera matning/kablage/terminering
- Absolutkommunikation misslyckas: parametrar/polaritet för SSI/BiSS/EnDat matchar inte → verifiera ramlängd, CRC, timing och impedans
- Vinkelharmoniska fel (roterande): excentricitet/kast → förbättra koncentriskhet och lagerstyvhet; tillämpa harmonisk kompensation
Urvalsguide (Selection Guide)
- Målnoggrannhet/repeterbarhet (µm/m eller bågsekunder) och dynamisk hastighet
- Princip (transmission/reflektion, avbildande/interferentiell) och gitterperiod
p - Utgångsgränssnitt (A/B/Z, 1 Vpp, SSI/BiSS/EnDat, fältbuss) och styrsystemets bandbredd
- Kapsling och miljö (öppen/inkapslad, IP-klass, kylvätska/damm)
- Mekanisk och termisk design (luftspalt/orienteringstoleranser, CTE, flytande montage)
- Kompensation och diagnostik (felkartläggning, temperatur-/statusregister, online-larm)
- Livscykel (servicebarhet för kabel/läshuvud, reservdelstillgång, kalibreringskapacitet)
Standarder och referenser (Standards & References)
- IEC 60529:2020 (IP-skyddsklasser)
- IEC 60068-2 (vibration/stöt/temperatur/fukt)
- IEC 61000-6-2 / -6-4 (industriell EMC — immunitet/utsläpp)
- ISO 230-2 / ISO 230-3 (provning av maskinverktygs positionerings- och termiska egenskaper)
- ISO 10360 (CMM-verifiering)
- ISO 14644 (renrumskrav)
Sammanfattning: En heltäckande förståelse för optiska encoders principer, specifikationer, gränssnitt samt installations- och kompensationspraxis möjliggör långsiktig drift med hög noggrannhet, god robusthet och omfattande diagnostik även under krävande förhållanden.