空心軸不帶內置軸承的角度編碼器

數控或電子同步軸越來越普遍地使用無框架電機或密封式空心軸電機，尤其在工具機行業，印刷機械和紡織機械。這對消除如同步齒型帶等帶來的機械傳動誤差，提高傳動的位置精度，減少速度波動和提高傳動的動態特性顯得非常重要。也容比較易設計象附加軸，夾緊軸或材料處理軸的信號線和電源線。

這些電機的位置編碼器相應地也許要單獨的設計。編碼器的空心軸內徑相應需要50mm。對於帶擺動軸的工具機旋轉工作檯軸，其軸徑由0.5 米到幾米。 如望遠鏡電機的方位和提升軸要求的直徑在5 米以上。

設計人員希望將編碼器內置於電機或軸承中從而模塊化。如果電機軸承和測量軸達到一定的精度，編碼器可以不用內置軸承。本文主要介紹用於帶空心軸的驅動電機的模塊式編碼器的研究動態以及該編碼器的特徵和與其它設計的對比。

精度和掃描原理

旋轉編碼器和角度編碼器的精度定義為一圈內及一個信號周期內的位置偏差如(圖 1)。模塊式編碼器在一圈內的位置偏差主要是由刻度盤相對於掃描頭的徑向跳動和刻度本身的誤差引起的。

圖 1:一個信號周期內的位置偏差u (上圖) 和一圈內的位置偏差a (下圖)

一圈內的位置偏差的絕大部分來源於軸承，測量軸的機械結構和安裝產生的徑向跳動。而一個信號周期內的位置偏差來自掃描質量和信號周期的質量。

上述兩種位置偏差對驅動特性具有實質性的影響（表1）並要越小越好，尤其是數字式速度一個信號周期內的偏差控制。由於實際位置值決定了實際速度值，因而編碼器的位置偏差決定了控制特性。

表 1: 模塊式編碼器對驅動特性的影響

特別是一個信號周期內的位置偏差，對控制特性的影響尤其重要。這是編碼器的製造誤差。 因此海德漢公司投入極大的精力研製和生產這種在一個信號周期內誤差非常小的編碼器。包括使用各種信號濾波器及設計複雜的電路以達到此目的；從而使模塊式旋轉和角度編碼器相對於信號周期的誤差限定在信號周期的± 1% 以內。

掃描原理決定了光柵周期和掃描頭與光柵之間的間隙的公差。一個信號周期內的位置偏差見下表 (表 2)：

表 2: 無接觸式掃描原理的對比

幹涉型編碼器 – 編碼器應用光的幹涉和衍射原理，允許非常精細的光柵條紋周期和信號周期，因而可以保證較小的位置偏差。光電掃描的編碼器通常採用 "傳統的" 影像非接觸式測量原理， 一般可以達到一個信號周期內的位置偏差在± 0.2 μm 以下。該偏差要比磁式和感應式測量原理小10 到 20 倍。要選擇適合的掃描原理，只有採用光電掃描原理的編碼器才可滿足控制特性要求的較高和更高的精度。

不帶內置軸承的旋轉和角度編碼器的精度主依賴於與其相配軸的軸承精度和用戶安裝編碼器的安裝精度。

圖 2 表明由於碼盤與被測量軸的不對中度引起的位置偏差。通常要達到± 1 角秒到 ± 5 角秒，來自軸承和安裝誤差的徑向跳動量要小於1 μm。該值是在負載下得到的，即考慮了工件重量和操作力。

圖 2: 對中度對精度的影響

帶和不帶內置軸承的編碼器的對比

不帶內置軸承的編碼器要求用戶進行良好的安裝；而不象那些帶內置軸承編碼器，製造商已進行優化設置了。見 (表 3)。

表 3: 帶和不帶內置軸承的編碼器的對比

用戶在購買編碼器前要和編碼器製造商仔細商討上述問題。用戶一定要仔細研究究竟哪種編碼器更適合自己的使用情況。

磁式旋轉編碼器的掃描原理

對於無框架電機或空心電機，所用的空心軸編碼器的內徑通常約為40 mm 到 180 mm。 如果用帶內置軸承的編碼器就太不經濟了，如果精度不超過10 角秒，也不需要這樣的編碼器。已有的軸承或電機軸承允許使用光柵式編碼器。但是通常的安裝環境會使光電掃描的編碼器受到空氣中的灰塵和油汽的汙染，因而需要封裝。對於高達20 000 rpm 和這麼大的直徑的編碼器，顯然這樣的防護是不且實際的。對於這情況，海德漢研發了磁阻掃描原理的模塊式編碼器。ERM 180 增量式模塊式旋轉編碼器是由磁轂和掃描頭兩部分組成的，見 (圖 3)。

圖 3: 磁阻掃描原理的ERM 180 增量模塊式旋轉編碼器

磁轂的圓周上是沿軸線方向排列的硬磁體，信號周期為 395 μm。掃描頭上放置了由海德漢公司研製的磁阻傳感器和相應的電子器件，參見 (圖 4) 。磁阻傳感器的工作原理是變化的磁場對電阻具有調製效應。

圖 4: ERM 180 旋轉編碼器的磁阻掃描原理

由於編碼器是非接觸式的，與接觸式的磁編碼器比，其抗汙染性大大提高。因而可以安裝在使用無框架電機的車床主軸上。見 (圖 5)。

圖 5: 安有ERM 180 磁阻模塊式旋轉編碼器的車床主軸

ERM 180 有不同的直徑。對於不同的直徑刻度誤差和一個信號周期內的位置偏差是不同的(表 4)。

表 4: ERM 180 增量磁阻式模塊化旋轉編碼器的主要特性 (例)

齒輪式編碼器在一個刻度周期內的位置偏差為0.8 mm 到1 mm，每轉的信號周期一般為 256
到512，取決於編碼器的直徑。位置偏差通常是ERM 180 的二到四倍。不象齒輪編碼器ERM所能達到的精度不依賴於電子元氣件，它所掃描的刻度周期較大且穩定，即使在較高的操作溫度下對輸出信號的影響也非常小。海德漢還有光電掃描原理的ERA 180 角度編碼器，它是軸向光柵編碼器，一個信號周期內的位置偏差比ERM 編碼器要小5 到10 倍。ERA 180 只可用於清潔的環境。

表 5: ERM 180 所允許的最高轉速

象光電掃描 ERA 180 編碼器一樣,磁阻掃描的編碼器 ERM 180 所允許的掃描頭與磁轂的軸
向偏置誤差為 ± 1 mm 包括掃描頭的安裝誤差和電機溫度影響造成的軸承浮動誤差。只要軸向竄動在此範圍內就不會對位置偏差有影響。編碼器輸出高質量正弦信號，信號幅值為 1VPP。允許的最高溫度為100 °C。最高軸速取決於編碼器的外徑。齒輪式編碼器的齒形在高轉速下會產生嘯叫聲。而ERM 180 卻是平穩安靜的。

ERM 180 非常容易安裝:輪轂安裝在與之相配的軸上，並用螺栓緊固。輪轂的內徑與對中環對中。用安裝片設定掃描頭與輪轂外圈的間隙。將掃描頭靠緊安裝片固定後，再將安裝片移出。

光電式準單一場掃描原理的角度編碼器

直徑大於500 毫米的旋轉軸, 搖擺軸或旋轉工作檯需要用準確度為角秒級或準確度更高的角度編碼器。對於1 米直徑的轉臺，編碼器位置偏差為 ± 2 角秒， 將會在其圓周上產生± 5 μm的位置偏差。

ERA 780 和 ERA 880 模塊式角度編碼器是為這種應用場合設計的。這種編碼器是海德漢開發的採用準單一場掃描原理，刻度周期為40 微米，鋼帶標尺式的角度編碼器。這種掃描方法的掃描掩模是由交錯的相位光柵組成，利用準單一掃描場原理產生四個標準掃描掩模的影象，每個影象具有1/4 光柵周期的相位移(圖 6)。

圖 6a:鋼帶標尺和準單一場影像掃描原理 (反射光)

圖 6b:掃描掩模的電子放大圖

因為只有一個掃描窗口產生四個影象， 光強的變化對四個影象的影響是等同的，既標尺的汙染對四個影象的影響是對稱的，對四個光電池信號的影響是均等的，見(圖 7)。標尺的汙染使輸出信號對稱和保持較高質量。這種掃描原理的抗汙染特性高於其它的敞開式光電掃描原理的光柵尺。

圖 7: 汙染示意圖

圖 8: 汙染效應
(圖中上半部分為普通的四場掃描原理, 下半部分為準單一場掃描原理, 右圖為 Lissajous圖)