完美解析光电式绝对型编码器

如果接通电源后不进行回归原点的操作，增量型编码器就不能检测到绝对的位置。与之相反，绝对型编码器是一种能够输出绝对位置的传感器，它主要应用于机器人等领域。

绝对型编码器的基本结构如图6-12所示，转盘狭缝做成多个位道，一般是将n位（bit）分辨率的绝对型编码器做成n个位道。这种位道的模式对应n位格雷码，在接收体上沿半径方向配置n个光电接收器件（光电管），利用这些光电接收器件检测各个位道的信号，经过波形整形后，输出n位的绝对位置信号。

本方式的绝对型编码器中，固定盘上对应的每个位道只有1条狭缝，并且它的宽度由最窄位道的模式所决定，因此狭缝非常细。其结果是严重限制了LED的透光量，所以很难提高分辨率（增加bit数）。另外，为了正确输出各位道的信号，调整工作也是很复杂的。因此，在技术上绝对型编码器要比增量型编码器复杂得多。

针对这种情况，近年来加强了研究工作，从整形前的类似正弦波信号入手，采用内插方法以提高分辨率，现在已经开发出具有17位的高分辨率、直径为35mm的绝对型编码器，如日本多摩川TS5668N20型17位绝对型智能编码器。由于采用了内插方法，码盘的位道格式不再是格雷码，码盘的物理刻线如图6-13所示，编码器内配有内插电路，1圈1个正弦或余弦信号16细分以索引1圈16个周期的信号，1圈16个周期的信号16细分得到256个位置以索引1圈256个周期的信号，1圈256个周期的信号512细分得到131072个位置。

将类似正弦波信号的波形在单个狭缝中进行插值，从而获得了非常高的分辨率。狭缝宽度和标准编码器所用的狭缝宽度只要接近即可，不再单纯依靠减小狭缝的间距。图6-14是基于相位检测的内插分割电路，虽然电路较为复杂，但能够比较容易地实现10位以上的分割。这里sinωt和cosωt是由该分割电路产生的信号，如果对于编码器的模拟信号sinθ和cosθ分别乘以sinωt和cosωt，则得到

将这个信号波形整形，并检测出与sinωt的相位差，则可以得到θ。很多例子表明，用上述的方法提高编码器的分辨率，就能够提高伺服系统的性能。

图6-12 光电式绝对型编码器基本结构

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图6-13 新型绝对型码盘

图6-14 基于相位检测的内插分割电路

θ通常是多位的二进制数据，如果以普通方式输出，电缆的芯数增多，处理起来很麻烦。所以编码器采用串行传送方式居多。目前的情况是，不同厂商的串行数据的各格式尚未被统一起来，因此必须采用能够与编码器相适应的接收电路。国内使用比较多的编码器主要有Tamagawa（多摩川）和Heidenhain（海德汉）产品。图6-15是多摩川TS5668N20型17位绝对型智能编码器的接口电路示意图。多摩川公司自身提供对应编码器的AU5561解码芯片，用户可以利用解码芯片将串行数据硬件解码后通过数据总线直接与微处理器连接，根据微处理器，总线宽度可以选择16位或者32位模式。

图6-15 采用解码芯片的硬件接口示意图

TS5668N20的通信协议是开放的，可以查阅多摩川产品手册。如果微处理器有串行口通信功能，可以直接利用其串行控制接口（SCI）来实现与编码器间的通信，中间经过RS485转换芯片实现差分式输入输出，接口电路如图6-16所示。从图中可以看出，编码器数据由微处理器软件实现，省去了昂贵的专用解码芯片处理编码器数据的接收，这样使得系统结构更加紧凑。TMS320F2812的SCI是通用异步串行接口，具有硬件校验和数据帧校验能力，可以工作在全双工、半双工等多种模式下，通信波特率可以通过程序设定，具有16级发送和接收先进先出（FIFO），这样一次可以完整接收编码器发送的数据。

图6-16 采用SCI通信的软件实现示意图