汽車(chē)工程中光電編碼器的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展

田晨喆

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)水平的提升和社會(huì)科技的進(jìn)步，當(dāng)前汽車(chē)工業(yè)正朝著電子化、數(shù)字化與智能化的方向發(fā)展，而在汽車(chē)工業(yè)實(shí)現(xiàn)電子化、數(shù)字化與智能化發(fā)展的過(guò)程中需要使用相關(guān)電子儀器和零件。光電編碼器作一種精度高的數(shù)字化檢測(cè)裝置，被廣泛用于車(chē)載電子設(shè)備和零件中，對(duì)于推動(dòng)汽車(chē)工業(yè)行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文主要闡述了光電編碼器的工作原理，介紹了汽車(chē)工程領(lǐng)域光電編碼器當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)當(dāng)前光電編碼器在汽車(chē)工程領(lǐng)域過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了針對(duì)性的優(yōu)化方案。

Abstract： With the improvement of economic level and the progress of social science and technology， the current automotive industry is moving towards the direction of electronic， digital and intelligent development， and in the process of realizing the electronic， digital and intelligent development of the automotive industry， relevant electronic instruments and parts need to be used. As a high precision digital detection device， photoelectric encoder is widely used in vehicle electronic equipment and parts， which is of great significance to promote the development of automobile industry. This paper mainly describes the working principle of the photoelectric encoder， introduces the current application status of the photoelectric encoder in the field of automobile engineering， analyzes the problems existing in the process of the current photoelectric encoder in the field of automobile engineering， and puts forward the targeted optimization scheme.

關(guān)鍵詞：汽車(chē)工程;光電編碼器;工作原理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）08-0188-02

0? 引言

光電編碼器具有良好的使用性能，具備較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠持續(xù)、穩(wěn)定地輸出脈沖信號(hào)，正是由于光電編碼器這樣的特性，光電編碼器被迅速?gòu)V泛地應(yīng)用到了電子零件和電子儀器生產(chǎn)領(lǐng)域，在汽車(chē)工業(yè)方面，光電編碼器當(dāng)前在汽車(chē)車(chē)速檢測(cè)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、汽車(chē)音樂(lè)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。

1? 光電編碼器的原理

光電編碼器是一種集合光、電和機(jī)械為一體的檢測(cè)裝置，由于光電編碼器具有較強(qiáng)的抗干擾性、體積較小、生產(chǎn)成本較低等方面的特征，近年來(lái)，光電編碼器被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工程、雷達(dá)、機(jī)器人等領(lǐng)域。光電編碼器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，將輸至軸上的機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，基于此，光電編碼器被廣泛應(yīng)用于相關(guān)機(jī)械的位置和速度的檢測(cè)中[1]。當(dāng)前主要使用的編碼器有兩種，分別是增量式光電編碼器和絕對(duì)式光電編碼器。

1.1 增量式光電編碼器

增量式光電編碼器的特征是能夠較為精準(zhǔn)地測(cè)量相對(duì)位置的增量變化，但不能夠測(cè)量出絕對(duì)位置，這主要基于增量式光編碼器能夠產(chǎn)生與位置變化等值的脈沖，通過(guò)脈沖能夠反映出上一個(gè)位置與當(dāng)前位置之間的變化情況。當(dāng)前增量式光電編碼器主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)化器、主碼盤(pán)、鑒向盤(pán)等部分構(gòu)成，增量式光電編碼器的構(gòu)成部分較為簡(jiǎn)單，具備生產(chǎn)成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)較遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，不僅如此，增量式光電編碼器的使用年限也較長(zhǎng)，但增量式光電編碼器無(wú)法進(jìn)行絕對(duì)位置測(cè)試的這一特征限制了其應(yīng)用范圍。

1.2 絕對(duì)式光電編碼器

絕對(duì)式編碼器是一種能夠直接輸出相關(guān)位置數(shù)值的一種光電編碼器，當(dāng)前主要流行的絕對(duì)式光電編碼器分為了兩種，一種是循環(huán)碼盤(pán)，另一種則是帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)，循環(huán)碼盤(pán)由四位二進(jìn)制代碼構(gòu)成，由于其變化在“0”和“1”之間產(chǎn)生，因此即便循環(huán)碼盤(pán)在變化的過(guò)程中產(chǎn)生誤差，其誤差讀數(shù)不會(huì)超過(guò)1。而帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)則是在循環(huán)碼盤(pán)的基礎(chǔ)上，在循環(huán)碼盤(pán)的周?chē)黾庸怆娧b置，光電裝置的增加使得絕對(duì)式編碼器只有在光電裝置產(chǎn)生信號(hào)時(shí)才會(huì)讀數(shù)，有效地避免了非單值性誤差的出現(xiàn)。光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)具有檢測(cè)精度高，碼盤(pán)壽命長(zhǎng)等方面的優(yōu)勢(shì)，但與此同時(shí)這一光電編碼器還具有造價(jià)成本高、光源使用時(shí)長(zhǎng)較短等方面的劣勢(shì)，不僅如此，帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)使用者想要進(jìn)一步提升編碼器的準(zhǔn)確程度，其造價(jià)成本也將進(jìn)一步上升，因此帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)高昂的造價(jià)成本對(duì)于推廣其使用范圍造成了一定限制。

2? 汽車(chē)工程中光電編碼器的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 光電編碼器在車(chē)速檢測(cè)中的應(yīng)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)擁有汽車(chē)的人群越來(lái)越多，汽車(chē)交通事故量也隨之增加，汽車(chē)交通事故的增加不僅給我國(guó)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也造成了諸多社會(huì)問(wèn)題的出現(xiàn)，因此如何保障汽車(chē)駕駛安全成為了當(dāng)前被廣泛探討的一個(gè)問(wèn)題。在汽車(chē)駕駛過(guò)程中，汽車(chē)駕駛的車(chē)速是影響汽車(chē)安全駕駛的一個(gè)重要指標(biāo)，因此對(duì)汽車(chē)車(chē)速進(jìn)行檢測(cè)和控制被認(rèn)為是緩解交通事故出現(xiàn)的重要方式。而選用光電編碼器進(jìn)行脈沖測(cè)速是進(jìn)行車(chē)速檢測(cè)和控制的一大方式[2]。

當(dāng)前采用光電編碼器進(jìn)行脈沖測(cè)速主要有三種方式，分別是測(cè)頻法（M法）、周期法（T法）和綜合法（M/T法），測(cè)頻法主要是通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)多個(gè)脈沖數(shù)值實(shí)現(xiàn)的，在測(cè)量完畢后，通過(guò)計(jì)算多個(gè)脈沖的平均值得出車(chē)速，而這一測(cè)量方式通常在汽車(chē)高速行駛的情況下采用;周期法的測(cè)量方式為兩個(gè)相鄰輸出脈沖的間隔時(shí)間內(nèi)，用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率為f的高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，由此得出汽車(chē)車(chē)速，周期法測(cè)量車(chē)速通常被應(yīng)用在汽車(chē)低速行駛的狀態(tài)下，而綜合法則是同時(shí)采用測(cè)頻法和周期法檢測(cè)出兩個(gè)車(chē)速數(shù)值，然后再進(jìn)行車(chē)速計(jì)算。然而綜合測(cè)量法的實(shí)現(xiàn)難度較大，一方面，綜合測(cè)量法要同時(shí)測(cè)量出兩個(gè)車(chē)速數(shù)值，其測(cè)量的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要使用較多的零部件，另一方面，綜合測(cè)量法要求同時(shí)得出兩個(gè)車(chē)速數(shù)值，而周期法在汽車(chē)高速運(yùn)行的狀態(tài)下，對(duì)汽車(chē)車(chē)速的測(cè)量結(jié)果并不精準(zhǔn)，因此綜合法也只要在汽車(chē)低速運(yùn)行的狀態(tài)下才有較為精準(zhǔn)地測(cè)量結(jié)果。

2.2 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器

由于汽車(chē)的方向盤(pán)角度測(cè)量，其所得出的結(jié)果是一個(gè)絕對(duì)的數(shù)值，因此在汽車(chē)方向盤(pán)角度傳感器中應(yīng)用的光電編碼器為絕對(duì)式光電編碼器，其原理是通過(guò)光信號(hào)掃描分度盤(pán)，而分度盤(pán)與信號(hào)傳輸通道相連，當(dāng)分度盤(pán)被光信號(hào)掃描時(shí)，分度盤(pán)上的格雷碼或二進(jìn)制碼刻度盤(pán)能夠確定物體的絕對(duì)位置，而信號(hào)傳輸裝置能夠檢測(cè)到二進(jìn)制碼盤(pán)刻度的讀數(shù)，并將相關(guān)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以脈沖的形式輸出[3]。

絕對(duì)式光電編碼器被用于檢測(cè)汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角讀數(shù)時(shí)，絕對(duì)式光電編碼器被安裝在汽車(chē)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，在駕駛員駕駛汽車(chē)的過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)使轉(zhuǎn)動(dòng)軸發(fā)生變化時(shí)，絕對(duì)式光電編碼器也會(huì)隨之發(fā)生變化，并在光電編碼器內(nèi)部裝置的作用下，輸出此時(shí)方向盤(pán)發(fā)生變化的角度值，不僅如此，光電編碼器還將通過(guò)總線系統(tǒng)，將方向盤(pán)發(fā)生變化的角度值上傳至汽車(chē)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，被汽車(chē)其他模塊所感知和使用。

2.3 汽車(chē)音樂(lè)系統(tǒng)

為了給汽車(chē)駕駛員提供良好的駕駛環(huán)境和駕駛氛圍，大多數(shù)汽車(chē)都裝載了汽車(chē)音樂(lè)系統(tǒng)。在現(xiàn)代汽車(chē)的音樂(lè)系統(tǒng)中，為了支持汽車(chē)音樂(lè)系統(tǒng)工作，往往會(huì)配備蓄電池，然而蓄電池在工作的過(guò)程中往往會(huì)受到汽車(chē)路面顛簸、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)提高等因素的影響而導(dǎo)致其電壓發(fā)生變化，當(dāng)蓄電池電壓發(fā)生變化時(shí)，汽車(chē)音樂(lè)系統(tǒng)的音量會(huì)隨之產(chǎn)生變化，這導(dǎo)致汽車(chē)音樂(lè)系統(tǒng)在音量沒(méi)有調(diào)節(jié)的情況下出現(xiàn)變化，而突然的音量變化則會(huì)影響汽車(chē)駕駛員的駕駛體驗(yàn)，不僅如此，在極端的情況下，還可能導(dǎo)致駕駛員受到驚嚇，影響汽車(chē)行駛安全，為了避免這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，現(xiàn)代汽車(chē)放棄采用模擬電壓信號(hào)作為調(diào)控汽車(chē)音樂(lè)系統(tǒng)音量的方式。而光電編碼器能夠穩(wěn)定輸出可靠的數(shù)字信號(hào)，不僅如此，光電編碼器受到外界的干擾較小，使用壽命也較長(zhǎng)，因此當(dāng)前汽車(chē)音樂(lè)系統(tǒng)中普遍使用光電編碼器作為音量調(diào)節(jié)控制器[4]。

3? 光電編碼器在汽車(chē)工程應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題

3.1 機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備位置偏移

在光電編碼器的應(yīng)用過(guò)程中，由于路面顛簸或者發(fā)動(dòng)機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致相關(guān)光電編碼器設(shè)備發(fā)生位置的偏移，而在光電編碼器相關(guān)設(shè)備發(fā)生位置偏移后，可能無(wú)法可靠地接收到光信號(hào)，從而導(dǎo)致電信號(hào)的傳輸出現(xiàn)問(wèn)題。而這無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致光電編碼器在應(yīng)用過(guò)程中檢測(cè)的數(shù)值不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響汽車(chē)相關(guān)功能的正常使用。

3.2 環(huán)境因素影響光電檢測(cè)裝置的可靠性

光電編碼器是否能夠正常使用受到其工作環(huán)境的影響也非常大，在濕度較高、溫度較高的情況下，光電編碼器可能無(wú)法正常工作。光電編碼器在汽車(chē)的應(yīng)用過(guò)程中，如果光電編碼器過(guò)于靠近汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等可能產(chǎn)生高溫的設(shè)備時(shí)，光電編碼器可能會(huì)無(wú)法正常使用，除此之外，光電編碼器也不能夠暴露在空氣中，否則汽車(chē)在陰雨天氣行駛時(shí)，光電編碼器可能也無(wú)法發(fā)揮其正常的功能和作用。

3.3 電磁對(duì)光電檢測(cè)設(shè)備的工作產(chǎn)生干擾

光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)設(shè)備本體，其信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至控制系統(tǒng)的距離一般在20～100m，傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜，但受到電阻影響、電容影響以及其他電磁信號(hào)的影響，在光電編碼器相關(guān)設(shè)備傳輸信號(hào)的過(guò)程中，光電編碼器所產(chǎn)生的信號(hào)可能被其他信號(hào)所干擾，進(jìn)而導(dǎo)致光電編碼器所檢測(cè)到的數(shù)值并不準(zhǔn)確，在出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)出現(xiàn)安全事故。

4? 優(yōu)化光電編碼器在汽車(chē)工程中的應(yīng)用

4.1 改變光電編碼器的安裝方式

為了減少光電編碼器受到外部環(huán)境因素的干擾，在安裝光電編碼器的過(guò)程中應(yīng)該改變光電編碼器傳統(tǒng)安裝方式，一方面，在設(shè)計(jì)光電編碼器安裝位置時(shí)，要使光電編碼器遠(yuǎn)離汽車(chē)發(fā)熱部位，或者采用相關(guān)隔熱材料使得光電編碼器與熱源隔離，使光電編碼器在正常的溫度環(huán)境下工作;另一方面，不再將光電編碼器放置在相關(guān)設(shè)備的外殼部位，而是制作一固定支架來(lái)獨(dú)立安裝光電編碼器，減少汽車(chē)振動(dòng)對(duì)光電編碼器所產(chǎn)生的影響[5]。

4.2 合理選擇光電檢測(cè)裝置輸出信號(hào)的傳輸介質(zhì)

為了減少其他電磁信號(hào)對(duì)光電編碼器信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀枰捎秒p絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜，一方面雙絞屏蔽電纜對(duì)空間中產(chǎn)生的干擾電子能夠屏蔽，避免其他電磁場(chǎng)對(duì)光電編碼器信號(hào)產(chǎn)生影響，另一方面是互絞后兩線間距很小，兩線對(duì)干擾線路的距離基本相等。

5? 總結(jié)

隨著光電編碼器的發(fā)展，光電編碼器在汽車(chē)工程中有了廣泛的應(yīng)用，光電編碼器體積較小、生產(chǎn)成本相對(duì)低廉，而更為重要的是光電編碼器的抗干擾性較強(qiáng)，符合汽車(chē)工程的使用要求。而隨著汽車(chē)工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，適用于汽車(chē)各類(lèi)電子系統(tǒng)的光電編碼器將被進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，使光電編碼器朝著小型化、智能化的方向發(fā)展，在提高汽車(chē)娛樂(lè)性、舒適性、安全性以及降低汽車(chē)生產(chǎn)成本方面發(fā)揮更多的作用。

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