電機(jī)伴侶——編碼器工作原理解析

來(lái)源：上海茂碩機(jī)械設(shè)備有限公司 2023年06月28日 11:30

一、什么是編碼器

編碼器（encoder）是將信號(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)軸的圓周方向相對(duì)位置等參數(shù)，確定電機(jī)本體及被拖動(dòng)設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)一步地實(shí)時(shí)控制電機(jī)和設(shè)備的運(yùn)行狀況，從而實(shí)現(xiàn)伺服、調(diào)速等許多特定功能。這里，應(yīng)用編碼器作為前端測(cè)量元件，不僅大大簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)，而且精密、可靠、功能強(qiáng)大。編碼器是一種將旋轉(zhuǎn)部件位置、位移物理量轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字脈沖信號(hào)的旋轉(zhuǎn)式傳感器，這些脈沖信號(hào)被控制系統(tǒng)采集、處理，發(fā)出一系列指令，調(diào)整改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。如果編碼器與齒輪條或螺旋絲杠結(jié)合在一起，也可用于測(cè)量直線運(yùn)動(dòng)部件的位置、位移物理量。

二、編碼器分類(lèi)

編碼器基本分類(lèi)

編碼器是一個(gè)機(jī)械與電子緊密結(jié)合的精密測(cè)量器件，將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、轉(zhuǎn)換，用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)數(shù)據(jù)。按照不同的特征，編碼器分類(lèi)情況如下：

● 碼盤(pán)和碼尺。直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的編碼器稱(chēng)為碼尺，角位移轉(zhuǎn)換成電信的為碼盤(pán)。

● 增量型編碼器。提供位置、角度和圈數(shù)等信息，以每圈脈沖數(shù)定義分別率。

● 絕對(duì)值型編碼器。以角度增量的方式提供位置、角度和圈數(shù)等信息，每個(gè)角度增量賦予的編碼。

●混合式絕對(duì)值編碼器。混合式絕對(duì)值編碼器輸出兩組信息：一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)信息功能；另一組則同增量式編碼器的輸出信息。

●增量型編碼器

直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相。A、B兩組脈沖相位差90^o，可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向；Z相每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。其優(yōu)點(diǎn)：原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。缺點(diǎn)：無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。

●絕對(duì)值型編碼器

直接輸出數(shù)字量的傳感器，傳感器圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。

這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤(pán)必須有N條碼道。目前國(guó)內(nèi)已有16位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。

三、編碼器工作原理

由一個(gè)中心有軸的光電碼盤(pán)，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360度），將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。

由于A、B兩相相差90度，可通過(guò)比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤(pán)的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤(pán)是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤(pán)直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí)，塑料碼盤(pán)是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。

分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱(chēng)為分辨率，也稱(chēng)解析分度、或直接稱(chēng)多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。

四、位置測(cè)量及反饋控制原理

在電梯、機(jī)床、材料加工、電動(dòng)機(jī)反饋系統(tǒng)以及測(cè)量和控制設(shè)備中，編碼器占領(lǐng)著極其重要的地位。編碼器運(yùn)用光柵和紅外光源通過(guò)接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL（HTL）的電信號(hào)，通過(guò)對(duì)TTL電平頻率和高電平個(gè)數(shù)的分析，直觀地反映出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)位置。

由于角度和位置都可以精確的測(cè)量，所以可以將編碼器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，將控制更加精確化，這也是為什么電梯、機(jī)床等能這么精確使用的原因所在。

五、總結(jié)

綜上所述，我們了解到編碼器按結(jié)構(gòu)劃分為增量式和絕對(duì)式兩種，它們也都是將其他信號(hào)，比如光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成可以分析控制的電信號(hào)。而我們生活中常見(jiàn)的電梯、機(jī)床都剛好是基于電機(jī)的精確調(diào)節(jié)，通過(guò)電信號(hào)的反饋閉環(huán)控制，編碼器配合變頻器也就理所當(dāng)然的實(shí)現(xiàn)了精確控制。

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