光电角度编码器与旋转变压器式角度编码器特性比较

马建红，孙玉彤，郝永勤

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

光电角度编码器与旋转变压器式角度编码器特性比较

马建红，孙玉彤，郝永勤

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

角度编码器是将机械角位置转换成与角度对应的数字信号的一种转换装置。针对在角度编码器中普遍使用的光电角度编码器和旋转变压器式角度编码器在精度等级、制造加工、环境适应能力、应用领域等方面做了比较，为用户提供选用参考。

光电编码器；旋转变压器；比较；应用领域

0　引言

角度编码器用于检测机械运动中的角度位置，是将角位移转换成电信号，并通过数据接口输出的一种机电装置。在工业领域、民用领域、军事方面、航空航天及宇航等方面得到广泛应用。目前，在这些领域中常用的角度编码器有光电式角度编码器（以下简称光电编码器）、旋转变压器式角度编码器（以下简称旋变式编码器）、感应同步器式角度编码器、磁编码器等，在机床、伺服电机、机器人、重型机械、电梯、风力发电、交通运输、医疗器械、坦克、火炮、雷达、经纬仪、惯性器件、伺服控制、宇航相机等设备或产品中发挥着重要作用。其中旋转变压器式角度编码器和光电编码器在角度编码器领域具有举足轻重的地位。本文就这两类主要角度编码器在性能、应用、适用环境等方面做以比较，为用户提供选用参考。

1　角度编码器原理

1.1光电编码器原理

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械角位移量转换成脉冲或数字量的传感器。根据其光栅形式和信号代码形式可分为绝对式和增量式两大类。图1是一种带细分的绝对式矩阵光电编码器。

图1　绝对式矩阵光电编码器原理框图Fig.1 The schematic diagram of absolute photoelectric ender based on matrix coding

光电编码器是由光栅盘和光电检测装置以及信号处理三部分组成。其中，码盘（2）固定在输出轴上，随输出轴转动，光源（1）发出的光线透过码盘和狭缝盘形成莫尔条纹，光电接收元件（4）将光信号转换成电信号送入放大电路（6），粗码道信号放大后经比较鉴幅电路（7）和接口电路（10）送入单片机系统（9），精码信号经放大后送入模数转换电路（8），转换成数字量，送入CPU处理系统（9）。CPU接收到数据后，对精码数据进行细分，粗码译码，粗精校正形成与角度相对应的二进制码，通过角度输出接口（11）实时输出角位置信息。

1.2旋变式编码器原理

旋变式编码器是一种通过电磁感应将角位移转换成电信号，通过模数转换电路得到与角位移相对应的数字信号。一般分为单通道旋变式编码器和双通道旋变式编码器。图2为一款双通道旋变式编码器原理框图。

图2　双通道旋变式编码器原理框图Fig.2 The schematic diagram of two-channel resolver ender

双通道旋变式编码器是由双通道旋转变压器和模数转换电路两部分组成，双通道旋转变压器分转子和定子两部分，转子上嵌有粗机和精机两组激磁绕组，用来建立粗机和精机脉动磁场，定子上都嵌有粗机和精机两套正弦绕组和余弦绕组，分别用来感应穿过绕组的磁通。随着定、转子之间的相对角位移，激磁端的磁场轴线与输出端的绕组轴线的相对位置随之变化，定、转子绕组间的耦合磁通随着角位移的变化呈正余弦函数关系变化，通过磁场的交变在输出绕组两端产生感应电势。粗、精机各有一组正弦输出信号、一组余弦输出信号。粗机的两路输出信号和精机的两路输出信号经模数转换电路转换后输出与角度对应的数字信号，送入CPU处理电路进行角度计算、粗精耦合及纠错处理，最终生成与角位移对应的数字信号。通过角度输出接口实时输出角位置信息。

2　角度编码器的精度比较

光电编码器和旋变式编码器都是角度传感器，用户最关心的自然是角度转换精度，不管是光电编码器还是旋变式编码器，精度与外径都是相互制约的因素，外径越大，精度可以做得越高。例如，德国的海德汉公司为伽利略望远镜研制27位绝对式光电编码器，光栅盘外径Φ700mm，光栅线数32768，细分数4096，分辨率0.01"，精度0.036"（1σ），是目前精度最高的。对于旋转变压器，外径Φ400mm时，极对数可达到128对极，精度最高可达±2.5"。相反，外径越小，精度也就相应降低。例如，长春光学精密机械与物理研究所研制的八矩阵超小型绝对式光电编码器外径Φ25mm，轴向16mm，精度30″（1σ）；北京航天控制仪器研究所研制的旋转变压器外径Φ40mm，轴向13mm，精度±60"。表1为国内外主要光电编码器生产厂家研制的几种较高精度小型光电编码器产品。表2为国内主要旋转变压器生产厂家研制的几种典型产品。

对于精度要求高的产品或设备，例如高精度望远镜、转台等，通常使用环境严格，一般采用光电编码器，其中的码盘依然采用玻璃材质，玻璃的透光率、线膨胀系数和稳定性依然是其他材料无法替代的，精度可达到1″，甚至更高。旋转变压器若想达到如此高精度，需要增加产品外径，提高极对数，相应带来定、转子齿数增加，加工难度加大，制造成本成倍增加，所以精度在1″或更高精度要求时一般不采用旋转变压器。

表1　国内外高中精度的小型光电编码器Table 1 Medium and high accuracy small-sized photoelectric enders made in china and foreign country

表2　国内高中精度的小型旋转变压器Table 2 Medium and high accuracy small-sized resolver enders made in china

测角精度是角度编码器最关键的技术指标，提高测角精度也是研制人员关注、努力的方向。国内就提高光电编码器和旋变式编码器的精度主要从以下几个方面做工作。

（1）加工制造

光电编码器中的计量光栅是角度测量基础，其刻化精度直接影响光电编码器的角度测量精度，也同时制约光电编码器精度的提高。目前，国内计量光栅的刻化依然使用光刻机刻化，最细线条宽度5μm，刻化精度能达到0.5μm。但由于莫尔条纹的限制，刻线不能刻得很细，通常最细的线条宽度20μm。

旋变式编码器中旋转变压器的加工制造是角度测量基础。其铁芯齿槽的分度误差、铁芯各向磁性能均匀性、装配工艺都直接影响旋转变压器的测角精度。铁芯的齿槽加工通常采用冲片后叠压或叠压后线切割的加工工艺，齿槽的角分度误差取决于齿槽加工精度，目前，国内均采用进口线切割床切割冲模或铁芯，切割精度最高能达到5μm。

两种编码器轴承的选取和装配安装也是制约测角精度的关键部件和关键工艺。轴承的选取另文探讨，装配安装在第4节详述。

（2）元器件选取及应用

针对光电编码器主要元器件有发光器、光接收器件、A/D转换器、数字信号处理器等。旋变式编码器主要有A/D转换器、数字信号处理器等。它们的主要特性及选用原则如表3所示。

表3　光电编码器和旋变式编码器主要元器件Table 3 The main components applied to photoelectric enders and resolver enders

（3）数字技术

随着数字信号处理器运算速度和存储能力的大幅提升，数字量的运算和补偿技术蓬勃发展起来。通过数字信号的修正提高测角精度是近年来不论是光电编码器还是旋变式编码器的研制人员都热衷研究的课题。

光电编码器采用软件细分技术，将数字化后的正余弦信号经过正切计算，大大提高细分倍数。在此基础上通过采用各种不同的误差补偿技术进一步提高光电编码器的测角精度。例如:建立光电信号的数学模型，采用最小二乘法拟合，补偿莫尔条纹光电信号的直流漂移误差、幅值误差及正交误差［2］；采用BP神经网络误差补偿［5］；全周精确标校等。

旋变式编码器则是通过利用误差曲线的规律性变化达到误差补偿目的。例如:建立误差的数学模型，通过误差数据用最小二乘法拟合获得模型系数［8］；利用误差数据中的极值获得各电气周期的模型系数；通过全周精确标校获得补偿数据库等。

国内误差补偿技术目前只在一些角度检测设备上应用，产品应用情况笔者没有找到相关资料，国外误差补偿技术也只是在个别产品和转台产品上应用，如表1中列出的海德汉±2.5″的光电编码器。AEROTECH公司研发的一款进口精密回转平台，采用外径Φ100mm的旋转变压器作为角度转换元件，不加误差补偿转台精度±25″；加误差补偿转台精度±2″～±3″。比较看，在外径 Φ80～Φ100mm范围内的旋转变压器和光电编码器误差补偿后精度都可能达到±5″以内。所以在外径Φ80 ～Φ100mm范围内的旋变式编码器和光电编码器就目前的技术水平看最高精度等级相当。

3　角度编码器的环境适应性比较

高精度光电编码器由于采用玻璃做码盘，虽然有很好的光学均匀性和透光率，但其抗冲击性特别差，如果工作在冲击力极大的环境中，非常容易破碎，从而造成设备仪器无法正常工作，不能适应如机载、舰载等野外恶劣环境。所以，光电编码器在坦克、火炮、舰船、导弹等设备中较少使用。相对而言，旋转变压器由于定转子结构独立，没有薄弱结构件，抗冲击性好，能够适应大过载、大冲击、温度范围广的恶劣环境要求。在坦克、火炮、舰船、导弹、飞机上都得到广泛的应用。

为了提高光电编码器的适用性，人们采用金属、光学树脂、塑料等材料制作码盘，并用坚固外壳封装，行业内称重型编码器，通过牺牲精度、成本和体积来适应高温、潮湿、剧烈振动或脏乱的使用环境，在造纸、冶金、采矿等行业应用。

4　角度编码器的装配和安装要求比较

光电编码器对装配和安装要求较苛刻。由于光电编码器精度取决于码盘的刻线精度，码盘的回转精度、狭缝与码盘的位置精度，所以码盘的安装偏心、端面跳动、轴系的回转精度、轴向窜动和径向晃动都给编码器带来误差，所以对于表1中精度在30″（1σ）左右的光电编码器，尽管用对径安装读数头的方式来减小误差，码盘的安装偏心依然要控制在3μm以内，码盘的端面跳动也需控制在3μm以内。轴系的回转精度包括轴向窜动和径向晃动，也都需要控制在2μm以内［3］。相对而言，旋转变压器的安装要求和使用要求要宽松许多。旋转变压器的装配要求与定转子间隙的大小有很大关系，定转子间隙越小，对装配和安装要求越严格；相反，定转子间隙越大，对装配和安装要求越宽松。针对精度在±10″～±20"范围内，单边间隙0.2mm的旋转变压器，安装偏心允许10μm，轴系的回转精度包括轴向窜动和径向晃动也可放宽到10μm。

鉴于光电编码器的装配和安装要求，通常情况，生产厂家都愿意整件交付，即带轴承的组合件，海德汉提供的产品大部分是这样的。用户拿到产品后通过联轴器安装到自己的轴系中，通过精度测试判断安装是否满足要求。旋转变压器由于对安装精度相对不高，所以很多场合都是以分装形式交付，用户可方便安装，使得结构更紧凑，实现产品小型化。

5　角度编码器的应用比较

光电编码器精度等级从几度到零点几角秒不等，体积从几十毫米到几百毫米不等，封装形式有分装、整装、重型、防爆等。国内生产厂家不下百家，国外品牌产品也有几十家，应用领域囊括机床、电梯、风电、工厂自动化、工程机械、矢量电机、伺服电机、机器人等。主要集中在民用和工业领域。表4是国内市场应用较多的生产厂家、产品应用领域及产品特点的汇总。从文献［1］了解到中低精度的光电编码器近年来在更广泛的领域得到应用，产量迅猛增加，产品需求量不断增大，2011年国内需求量在500万台左右。随着国内制造业发展需求，对光电编码器的需求量还会继续增长。

表4　光电编码器主要生产厂家及产品特点和应用Table 4 Manufacturers and product features and application of photoelectric enders

旋变式编码器在民用市场中主要选用多摩川、堡盟、海德汉等厂家的产品，通常精度低，分辨率只有12～13位，应用于纺织、风力发电、电动车等领域，国内需求量大，目前应用于民用市场且达到规模化生产的国内生产厂家还未了解到。精度在十几到几十角秒的旋转变压器生产厂家主要有上海微电机研究所和西安微电机研究所以及数量不多的民营企业等。应用领域主要集中在火炮、坦克、飞机、火箭、导弹、卫星等军用领域。因保密原因笔者无法获得产品的需求量及生产量等信息。

近年来，随着编码技术的发展、小型化技术以及环境适应能力的提高，光电编码器已经开始向卫星、无人机、导弹等军用领域发展。未来有可能实现旋变式编码器与光电编码器在军用领域中分庭抗礼。

6　结论

光电编码器和旋变式编码器在精度等级、应用领域、环境适应能力、误差补偿技术以及制造加工等方面各领风骚。在未来发展中，两类编码器有可能在多领域内相互渗入，取长补短，在军民应用领域引领角度转换技术。

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The Comparison Between Resolver Encoders and Photoelectric Encoders

MA Jian-hong，SUN Yu-tong，HAO Yong-qin
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

Angle encoders is a translator component.It can translate mechanical angle position to digital signal of the corresponding angle.Both resolver encoders and photoelectric encoders are commonly used in angle encoders.In this article，the comparison between resolver encoders and photoelectric encoders are described，in the area of accuracy level，production，environment adaption，application，etc.It can be taken as reference for users.

photoelectric encoders；resolver encoders；comparison；application

U666.1

A

1674-5558（2016）03-01091

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.016

2015-03-17

马建红，女，自动控制专业，硕士，高级工程师，研究方向为惯性器件用传感器、力矩器。