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德国 iC-haus 高精度绝对值编码器解决方案带给中国 编码器制造业的机会和挑战（四）   马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)    1.3.3         SinCosYzer 工作站，正弦编码器信号采集带图形分析     图 18 ： SinCosYzer 工作站   l          ± 1.25V 到 ± 10V 4 通道差分输入 l          高分辨率， 16 位 ADC ，在± 1.25V 量程时优于 50uV l          4 通道示波器、信号频谱分析仪、李莎育 X/Y 图 l          示波器模式测量直流偏置和幅度（ AC,AC （ RMS ） , 最小值，最大值），交叉显示 2 通道幅度差异和相位偏差，直接以绝对数给出 l          频谱信号分析仪带谐波和总谐波失真 (THD) 计算 l          李莎育 X/Y 图带公差和限定指示   为什么用工作站而不是示波器？ 示波器是一个观察波形，图形走向趋势的仪器，不适合做绝对值数值的测量，例如，测量一个正弦波的电压有效值，示波器的测量精度不如万用表。示波器的 AD 为 12 位，而测量编码器正余弦信号要求 AD 的分辨率为 16 位。   此工作站的分析页面会自动比较正弦和余弦匹配，给以清晰的 0 位指示。这个是用示波器做不到的。还会给出最大限制因素，就是最差的那个参数以及最大插补细分位数。 李萨育图有参考标准圆，内圆外圆测量误差范围。 频谱分析仪提供噪声和谐波测量，用于评估正余弦信号的质量，以计算插补细分的位数。   图 19 ： SinCosYzer 工作站示波器功能   图 20 ： SinCosYzer 工作站频谱分析功能       图 21 ： SinCosYzer 工作站李沙育图   图 22 ： SinCosYzer 工作站数据分析功能   二．挑战篇——采用 iC-haus 的高精度绝对值编码器方案，中国编码器制造业需要解决的问题   2.1 中国的编码器工程师需要学习的几个方面 2.1.1 微电子新技术在编码器芯片的应用，模数混合电路，采用数字的方法调节各种模拟参数，有大量的芯片寄存器需要熟悉，好在 iC-haus 提供设置这些寄存器的免费软件，电脑连接开发工具可以直接设置这些寄存器。 2.1.2 随着芯片封装技术的发展以及产品小型化、低功耗的需要，芯片焊接大都采用 SMT 技术， iC-haus 的芯片封装大多采用 QFN 和 BGA 封装，也有裸片。这对研发阶段，样板的焊接提出要求。 2.2 编码器生产工艺，采购设备以及测试工装 2.2.1 焊接，爆米花现象，所谓爆米花现象就是微小封装的电子元件受潮后焊接，在温度骤然升高时芯片会出现爆裂的现象，虽然这个爆裂现象有时候不明显，人的肉眼很难发现。 iC-haus 的芯片出厂时采用真空包装，打开真空包装 8 个小时以内要完成焊接。包装里面有湿度试纸，如果湿度超过 10% ，就要在焊接前对芯片进行烘干， 125 ℃ 烘烤 48 小时。 2.2.2 装配设备和装配公差，装配设备需要购买和自制，各家有不同的方法，下面的表格是 iC-LNB 和 iC-MU 的装配公差：     这个装配公差对中国的编码器制造者要求较高，中国的编码器制造者需要研究和改动相关参数以达到较宽松的装配公差。     参考文献： 光电轴角编码器的编码方式及其发展趋势   作者 陈赟 张红胜 中国光学与应用光学杂志 2009 年 4 月期    

iC-haus 高精度绝对值编码器解决方案带给中国 编码器制造业的机会和挑战（一）     马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)  引言   据调查 2012 年中国编码器市场规模达 15-16 亿人民币。市场需求每年都在增长，自动化产品用编码器增长率更高达 50% 。其中，中、高端编码器由欧美、日、韩、台湾等品牌占据，占销售额的 70% 以上。国产编码器占低端市场，以 50% 的销售量，占据不到 30% 的销售额。国产编码器的机会在哪里？笔者认为国产编码器的机会在于国内编码器的市场需求增长以及产品向中、高端高技术含量和高利润方向发展。争取在中、高端编码器的市场占比份额，重新分配国内编码器市场中、高端编码器的销售份额，和欧美，日本等编码器品牌竞争。 iC-haus 的高精度绝对值编码器解决方案带给中国编码器制造业一个很好的机会。   国产绝对值编码器采用的是上一代的技术，对管（光电池）加外围分立元件，接口多样（并口、电流环等），只适用于一些特殊行业，分辨位数也不高，通常不超过 14 位。日本制造编码器只提供成品，甚至编码器和伺服控制器的软件接口也要限制到要调用其提供的库文件，以此来做技术保密。只有德国 iC-haus 提供开放式的高精度绝对值编码器芯片级解决方案，技术资料开放，接口开放（例如， Biss 接口），且为行业标准。   一 . 机会篇——开放式的德国 iC-haus 高精度绝对值编码器方案   在这里给大家介绍 iC-haus 下面三种类型的高精度绝对值编码器解决方案：   l          光学格雷码 16 位绝对值单芯片编码器 iC-LNG 、自然二进制码 18 位单芯片绝对值编码器 iC-LNB l          光学游标 17 位绝对值编码器，相位阵列游标光电传感器 iC-PN2656   + 信号调理及游标算法插补细分器 iC-MN 、光学游标 21 位绝对值编码器，相位阵列游标光电传感器 iC-PN2624   + 信号调理及游标算法插补细分器 iC-MN l          磁偏轴游标 18 位单芯片绝对值编码器 iC-MU   1.1.   光电编码器的编码方式简介                                                                                                                                                     图 1 ：增量式编码                            图 2 ：自然二进制编码     图 3 ：格雷码编码                         图 4 ：游标编码   增量式编码由等间隔的刻线组成，对应每一个分辨率区间，可输出一个增量脉冲，计数器相对于基准位置（零位）输出脉冲进行累加计数，正转则加，反转则减，如图 １ 所示。该种编码方式之所以称为增量式编码方式是因为它无法给出光电轴角编码器转过的绝对位置，只是相对零点的累计位置。 自然二进制编码按照位数进行编码，即将一个圆周分成 ２ ｎ 等份， ２ 的方次数 ｎ 称为码盘的位数，显然位数 ｎ 越大，每一个等份的角度值越小，编码器的精度也就越高，见图 ２ 。该种编码方式的优点是组成的图案直观，无需转换，可以直接读出转角大小，无需零位参考，光电传感器得到的码盘位置是一个绝对位置，是一种绝对值编码器的编码方式；缺点是容易错码，即读数时易产生粗大误差， iC-haus 的编码器传感器采用互补的双传感器来解决这个问题，例如， iC-LNB 。   格雷码编码也称循环码、反射码、周期二进制码，是由自然二进制码转换而得。该种编码方 式的特点为： （ １ ）第一圈和第二圈均刻一条线，相位错开 π ／２ ； （ ２ ）第三圈起每圈刻线数为 ２ ｎ －２ ； （ ３ ）第 ｎ 圈码道的亮区中心位于第 ｎ ＋１ 圈码道的暗区中心，如图 ３ 所示。 该种编码方式的优点是读数时不会产生粗大误差；缺点是不便于阅读也无法直接运算，因此必须将它译成自然二进制码。 iC-LNG 采用此种编码方式。   游标式编码是依据游标卡尺的原理进行编码的，即在码盘上刻有 ２～３ 圈码道，码道之间依次错开一定的相位，如图 ８ 所示，外圈刻有 ｎ 条线条，次外圈刻有 ｎ － ｍ 条线条，里圈刻有 ｎ － ｍ －１ 条线条。它是通过对着码道放置两个相位差为 π 的 ＰＤＡ （ ＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅＡｒｒａｙ ） 来提取光电信号，通过译码确定光电轴角编码器的角位置。 iC-PNxxxx 系列和 iC-MU 采用此种编码方式。为了更好的理解这种游标原理的码盘编码方式，我们来复习一下游标卡尺的工作原理：     图 5:10 分度游标卡尺工作原理   以图 5 的 10 分度游标卡尺 为例，主尺身上的最小分度是 1 毫米，游标尺上有 10 个小的等分刻度，总长 9 毫米，每一分度为 0.9 毫米，比主尺上的最小分度相差 0.1 毫米。量爪并拢时尺身和游标的零刻度线对齐，它们的第一条刻度线相差 0.1 毫米，第二条刻度线相差 0.2 毫米， …… ，第 10 条刻度线相差 1 毫米，即游标的第 10 条刻度线恰好与主尺的 9 毫米刻度线对齐，当量爪间所量物体的线度为 0.1 毫米时，游标尺向右应移动 0.1 毫米。这时它的第一条刻度线恰好与尺身的 1 毫米刻度线对齐。同样当游标的第五条刻度线跟尺身的 5 毫米刻度线对齐时，说明两量爪之间有 0.5 毫米的宽度， …… ，依此类推。使用同样的原理，游标编码的编码器也是采用这样的原理来提高测量精度。

  德国 iC-haus 高精度绝对值编码器解决方案带给中国编码器制造业的机会和挑战（二）     马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)    1 ． 2        iC-haus 高精度绝对值编码器方案          1.2.1      iC-LNG   图 6 ： iC-LNG 方框图   l          编码方式：格雷码 l          分辨率： 16 位绝对值 l          芯片组：单芯片 l          SIN 、 COS 模拟信号输出用于电子校准 l          内置 6 位插补细分器 l          多功能编码器，增量输出（ 1024, 2048, 4096, 8192, 16384CPR 供选择 ）、高速串行输出，在 16Mhz 时钟频率时，读出周期为 1 微秒、并行输出（ 14 位） l          SPI 接口用于配置和位置数据输出 l          LED 照度及功率控制 l          提供码盘、副光栅、 LED 和开发套件如图 7 ，以及 PC 端调试软件   图 7 ： iC-LNG 开发套件及 PC 端调试软件   1.2.2   iC-LNB     图 8 ： iC-LNB 方框图   l          编码方式：自然二进制码 l          分辨率： 18 位绝对值 l          芯片组：单芯片 l          SIN 、 COS 模拟信号输出用于电子校准 l          内置 8 位插补细分器 l          FlexCount ®    技术 l          多功能编码器，增量输出、高速串行输出，在 16Mhz 时钟频率时，读出周期为 1 微秒、并行输出（ 16 位），采用 FlexCount ® 技术支持任意分辨率设置， 1-65535 CPR 任意选择 l          LED 照度及功率控制 l          提供码盘、副光栅、 LED 和开发套件及 PC 端调试软件     图 9 ： iC-LNB 开发套件及 PC 端调试软件   1.2.3   iC-PN2656 或 iC-PN2624 + iC-MN   图 10 ： iC-PN2656 方框图         图 11 ： iC-PN1024 方框图     图 12 ： iC-MN 方框图

                                 德国 iC-haus 高精度绝对值编码器解决方案带给中国 编码器制造业                            的机会和挑战（三） 马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)      图 13 ： iC-PNxxxx +iC-MN 编码器原理图   l          编码方式：游标编码 l          芯片组： iC-PN2656 + iC-MN ， 17 位分辨率，三个码道，游标码道 255/ 主码道 256/ 分段码道 240 PPR l          芯片组： iC-PN2624 + iC-MN ， 21 位分辨率，三个码道，游标码道 1023/ 主码道 1024/ 分段码道 992 PPR l          内置信号调理，调整幅度、偏置、相位 l          内置游标算法及 13 位插补细分器 l          BiSS 接口、 SSI 接口输出 l          SIN 、 COS 输出用于电子校准 l          芯片通过 SPI 或者 EEPROM 建立设置 l          提供码盘、相位阵列游标光电传感器芯片（集成副光栅）、 LED 和开发套件及 PC 端调试软件   图 14 ： iC-PNxxxx + iC-MN 开发套件及 PC 端调试软件     1.2.4 磁偏轴 18 位游标单芯片绝对值编码器 iC-MU   图 14 ： iC-MU 偏轴磁编码器示意图   l          两通道游标扫描，游标码道 31 极对 / 主码道 32 极对 l          提供信号调理，幅度、偏置、相位调理 l          SPI 、 BiSS 、 SSI 接口 l          增量信号输出接口 l          FlexCoun 技术，任意分辨率 1-65536CPR 任意设置 l          1-16 极对 UVW 换向信号设置 l          上电启动从 eeprom 自动配置，或通过 BiSS 接口、 SPI 接口配置 l          提供磁码盘，开发套件   图 15 ： iC-MU 开发套件及 PC 端调试软件   相对而言，磁绝对值编码器开发要容易一些，特别是装配公差宽松，但是分辨率不能做到和光学编码器那么高，例如， iC-LNx 系列和 iC-PNxxxx 系列。 1.3   iC-haus 编码器开发工具   1.3.1     PC-USB 到 BiSS 接口适配器 iC-MB3U-I2C     图 16 ： iC-MB3U-I2C     l          PC-USB to BiSS 最多支持 3 从机，兼容 SSI ，支持 1 SSI 从机 l          向目标板提供 5V （ 50mA ）和 12V （ 90mA ）隔离供电 l          插入外接电源可以提供更大电流 l          与目标板（编码器）信号电气隔离 l          支持 SPI 、 I2C

                      绝对值编码器设计，磁编码器还是光学编码器(二)                                  马超群 (Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430)   4 ）比较两种旋转编码器应用系统   两种编码器的传感器结构已经确定，支持小尺寸和成本敏感的产品而没有牺牲任何测量精度（图 4 ）。尽管这两种器件采用不同的电路设计方法，它们同享类似的性能特性（表 1 ）；支持任意可编程脉冲数的实时高绝对值和增量信号分辨率。            磁码盘和单芯片编码器 iC-MU           光学码盘和单芯片编码器 iC-LNB   图 4 ：装配原理和尺寸比较   当选择基本的系统布局时其他决定因素也必须考虑进去，例如应用领域和测量精度要求。表 2 比较了主要的传感器规格参数。   表 2 ：光和磁传感器的特征比较       随着完美的电子处理测量系统，磁码盘的磁极间距误差是绝对测量误差的显现来源。例如，一个典型的磁精度是 15um ，而光学码盘的线精度是 300nm ，差别是显而易见的。借助于扫描半径（表 3 ），这个值可以被转换成角度误差；在理论上，磁编码器系统大约为 0.07 °（ 252 弧度秒）以及光编码器系统大约为 0.0018 °（ 6.4 弧度秒）。光学系统其它的主要误差来源总计为 0.011 °（ 40 弧度秒）。   用户选择一个特定的系统主要依据这个系统的优点和缺点。例如，磁编码器系统具有多种优势的环境免疫力，诸如，灰尘、油污以及水汽。它也允许一个宽的工作距离，允许轴向间隙和安装公差较大而容易装配。由于磁编码器系统无需 LED 和光学器件，一个扁平的编码器设计成为可能，   对于芯片设计者，当开发电路时传感器的信号扮演着一个主要的角色。光学传感器读取轴角由光学码盘产生的光分布和强度决定。好的信号对比度必须避免成像错误。为了战胜这个，特殊的编码器 LED 提供均匀性的平行光， iC-SN85 是一个合适的 LED 。它支持大约 200nA 的光电流产生，在传输阻抗为 1M Ω时产生的信号电压为 200mV 。   对于磁传感器，磁场分量垂直于芯片是有益的。霍尔效应直接提供一个典型的 mV 级电压，依赖于磁场强度分量 Z 。由于单个霍尔元件仅能感知到磁铁的距离，而采用多个霍尔元件在不同位置记录磁场的 Z 分量以便角度信息可由各个局部的磁场渐变得出评估。霍尔元件必须真实地“感知”这个弯曲的近场磁力线。由于霍尔电压的极性跟随磁场的方向，磁铁的北极可区别于南极，使得使用一个极对来确定绝对角度成为可能。   霍尔元件最多仅能从磁码盘的磁场产生 10mV 的电压。为了达到光学编码器系统的分辨率，信号的带宽必须被限制。为了达到信号调理的目的，霍尔元件使用一个固定的扫描频率和滤波来评估。这个霍尔传感器扮演了一个模拟低通角色，截止频率大约 20kHz 。然而，实际上，较长的信号传输延时是不相关的。   4.1 ）装配公差和补偿特性 两个系统都使用快速实时插补细分电路由向量追踪转换器使用 arc tangent 进行转换。关于偏置、幅度匹配、相位精度和谐波，此转换器依赖于模拟的正弦 / 余弦传感器信号。然而，与理想的装配位置的偏差引起的信号误差会减小插补细分的精度。为了确保测量精度，两个系统都允许静态校准由装配引起的信号误差和通过集成的 D/A 转换器校正调节几个模拟信号路径。   电子信号校准会增大机械活动限制度（表 3 ）。 iC-MU 也允许正弦 / 余弦相移校准，这也能补偿径向对准误差。一旦设置和校准，所选择的工作点由自动功能来维持。对于光学编码器，集成的 LED 功率控制补偿由温度上升引起的 LED 效率损失。霍尔编码器有一个增益控制用来补偿当磁码盘与芯片距离的变化时引起的场强改变。    表 3 ：机械数据和装配公差   4.2 ）可能的误差来源 原则上，误差应该被通盘考虑进去。在这里，已对基本情况进行了考察，拿霍尔编码器作为一个例子。如果测量用磁铁的相关几何尺寸已被考虑进去，这些考察结果也同样适用于光学编码器系统。   如果霍尔编码器在扫描半径对齐不理想，将会引起正弦信号失真。如果有一个半径位移（Δ R ），霍尔元件不能探测到磁体或者探测到分段的磁极不在正确的位置（图 5B ）。正弦和余弦信号就会有一个固定的位移误差在随后的扫描中出现。然而，这也可能通过使用集成的信号校正电路得到补偿。   图 5 ：典型的对准误差 表达式 1 ：由于径向对准引起的测量误差   表达式 1 给出了传感器信号电子相位误差， D 为扫描直径，Δ R 为扫描位移。例如，参考电子正弦周期信号，一个霍尔编码器径向 0.1mm 位移会产生 0.35 °的相移在扫描直径为 26mmm 时。如果计算每旋转的机械角度误差，结果必须除以极对数。一个标准磁码盘有 32 个极对，相当于机械角度误差为 0.01 °。   另一方面，器件在切线方向的位移（Δ X ）对两个轨道信号电子角度相移的影响或大或小是相同的（图 5A ）。这个间距改变和相位差异仅轻微地影响计算绝对位置值，实际上几乎不会改变。   然而，偏心装配误差（Δ E ）会引起设备抖动（图 5C ）。直径越小，测量目标的改变越大。一个长波误差出现会减小绝对测量精度。 表达式 2 ：由偏心率引起的测量误差   偏心率误差来自于测量器件的位移Δ E ，这个误差来自于旋转轴和测量磁铁的极宽 p 。因此，一个偏心率 10um 的误差导致相位误差为 1.4 °（参考正弦周期），或者角度误差 0.05 °（参考机械旋转），有关尺寸大小，见表 3 ，扫描直径 26mm ，极宽 1.28mm ， 32 极对。对于起决定性作用的相位差游标计算，偏心率误差扮演着一个较小的影响，由于两个信号轨道的偏心率是相同的。   在一个完整的机械旋转360° ，角度精确度优于+/-0.1°。这个精度受磁化系统的限制。如果个别的磁极变化，轻微的位移影响在大约45°和90°，如图6所示。连接参考编码器的机械轴也产生一个轴心误差，它可以通过在同一个方向旋转的一个长波偏离观察到。   图 6 ： iC-MU 磁系统角度精度 图 6 展示了 iC-MU 磁系统的角度测量精度，使用磁码盘 MU2S 30-32 ，周期角度为 11.25 °。 在这里，数学和图形功能在 BiSS 读出软件里能容易的比较测量数据。   5 ）结论：哪个更好？   磁传感器技术有很多优点可说：优秀的可靠性、对冲击和振动的高抵抗性、不易碎、对灰尘和水蒸气不敏感。单芯片霍尔编码器 iC-MU 允许使用空心轴以及可实现仅有光编码器才能做到的位置分辨率。然而，对于高测量精度的应用，光学传感器，诸如 iC-LNB 等有优势， 但是需要更昂贵的装配 成本。但是，考虑到它们具有小的optoQFN和optoBGA封装，单芯片编码器是一个可行的选择。基于这些关键点，决定选择哪一个方案应该由应用本身的需求来决定。