在包括光學(xué)、生命科學(xué)、微電子和機(jī)器人等許多領(lǐng)域，精確的角定位都極其重要。雖然現(xiàn)有各種類型的數(shù)字編碼器在價格、性能和形狀因子上可選擇的范圍寬廣，但是，對較小形狀因子和較低整體成本的更高分辨率光學(xué)編碼器卻存在日益增長的需求。為了滿足如x-y軸和旋轉(zhuǎn)定位臺這樣的工業(yè)應(yīng)用，在反饋器件市場中這些編碼器正受到關(guān)注。

旋轉(zhuǎn)定位臺

只要需要精確的角定位或受控的旋轉(zhuǎn)，就需要旋轉(zhuǎn)臺(rotary stage)。旋轉(zhuǎn)臺可以由手工操作或利用對速度和位置的伺服控制由電機(jī)驅(qū)動。圖1所示為一種典型的電機(jī)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)定位臺的構(gòu)成。

圖1中的旋轉(zhuǎn)臺由固定的基座、主軸承、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)陀螺和位置反饋器件構(gòu)成。在這個例子中，主軸承是支撐旋轉(zhuǎn)上殼的高精度、低摩擦球型軸承。

旋轉(zhuǎn)上殼由控制旋轉(zhuǎn)速度和上殼角位置的驅(qū)動機(jī)構(gòu)來激勵。驅(qū)動機(jī)構(gòu)由蝸輪(worm wheel)和蝸桿(worm gear)構(gòu)成，其中，蝸桿直接與電機(jī)的軸耦合。電機(jī)配備有高分辨率高速光學(xué)編碼器以向控制電子系統(tǒng)提供速度、方向和相對位置反饋信息。

精確的蝸桿驅(qū)動

一般來說，小型電機(jī)以高旋轉(zhuǎn)速度工作且提供低轉(zhuǎn)矩。把蝸桿與蝸輪結(jié)合起來可以在單次步進(jìn)中讓電機(jī)的降速最大。例如，一個單頭蝸桿與一個 100齒的蝸輪相結(jié)合，將獲得100rpm的低轉(zhuǎn)矩電機(jī)輸出并以大約為100倍的轉(zhuǎn)矩提供1rpm的旋轉(zhuǎn)速度。蝸桿本身完全呈螺旋結(jié)構(gòu)，被固定在軸承上旋轉(zhuǎn)，其螺紋與蝸輪的齒嚙合；蝸輪基本上呈碟型，部分螺紋圍繞其周圍旋轉(zhuǎn)。

受控旋轉(zhuǎn)的蝸桿驅(qū)動器使蝸輪做精確的角旋轉(zhuǎn)。蝸桿與蝸輪是配對的裝置，并且對于精確的應(yīng)用要預(yù)加載以消除齒輪齒隙。這類驅(qū)動可能提供諸如 45:1、90:1、100:1或180:1的減速比及在全360度范圍內(nèi)的連續(xù)角定位。標(biāo)準(zhǔn)分辨率范圍從2弧分小到0.2弧秒。注意：1度=1/360 的圓周；1弧分(arcmin)=1/60度；1弧秒(arcsec)=1/60弧分=1/3,600度或0.000277777778度。

圖1：電機(jī)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)定位臺的組成

編碼器計數(shù)與蝸桿角定位

增量式編碼器生成正交反饋脈沖。主處理器以“計數(shù)”的形式接收該脈沖信息，為了分析脈沖，在編碼器計數(shù)和蝸輪角位置之間建立數(shù)學(xué)關(guān)系是絕對必要的。

在該例子中，我們將利用100:1的蝸輪變速比和分辨率為20,000cpr的編碼器。公式如下：

通過插值提高分辨率

編碼器的輸出—通道a和通道b(見圖2)，它們之間的特點在于它們的正交關(guān)系。

圖2：在正交編碼器中，通道a和通道b之間的相位超前和落后表示旋轉(zhuǎn)的方向

通過插值可以實現(xiàn)比編碼輪或代碼條(codestrip)更高的分辨率，其中存在不同級別的插值。對一個通道的每一個上升沿計數(shù)被稱為1x(1 倍)編碼。通過對一個通道的每一個上升沿及下降沿計數(shù)，編碼輪或代碼條分辨率可以翻倍，從而進(jìn)一步提高分辨，這被稱為2x編碼。如果利用通道a和通道b這兩個通道的每一個邊沿跳變(或每一個邏輯狀態(tài))，就可以實現(xiàn)4x編碼。結(jié)果如下列方程所示：

*在正交解碼后的編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(ppr)=80,000

過去，封裝好的具有10,000cpr以上分辨率的編碼器的售價一直在500美元范圍內(nèi)；然而，現(xiàn)在出現(xiàn)了大幅度降低成本的方法。一個例子就是安華高科技的aeda-3300系列增量光學(xué)編碼引擎(被設(shè)計成安裝在客戶提供的封裝內(nèi))，大批量購買時，20,000cpr版本的價格大約為 73.00美元。

表1：利用20,000cpr分辨率的光學(xué)增量式編碼器可能實現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)臺角分辨率

aeda-3300系列器件是具有集成軸承臺的三通道光學(xué)編碼器模塊(具有折射通道的四a和b輸出)，其額定工作溫度范圍是-40℃~+125℃，并以17mm直徑形狀因子的封裝提供使用。

aeda-3300系列光學(xué)編碼器的主要性能指標(biāo)：1. 分辨率范圍從600到20,000cpr；工作速度最高為12,000rpm(對6,000cpr分辨率為10,000rpm，對20,000cpr