淺談編碼器分類及其原理

　　生活中經(jīng)常使用的電梯是如何精確的把人們送到指定樓層的?機(jī)床又是如何做到精確切割物料的?伺服電機(jī)又是如何保證旋轉(zhuǎn)位置精度的?這一切都要?dú)w功于一種神器——編碼器，可是編碼器又是什么?他又是如何精確的測(cè)量電機(jī)位置的呢?今天就來聊一聊編碼器。

　　一、什么是編碼器

　　編碼器是將信號(hào)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。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。他是工業(yè)中常用的電機(jī)定位設(shè)備，可以精確的測(cè)試電機(jī)的角位移和旋轉(zhuǎn)位置。

　　圖 1 編碼器

　　二、編碼器分類

　　按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過程無關(guān)。

　　?增量式

　　增量式編碼器通常有3個(gè)輸出口，分別為A相、B相、Z相輸出，A相與B相之間相互延遲1/4周期的脈沖輸出，根據(jù)延遲關(guān)系可以區(qū)別正反轉(zhuǎn)，而且通過取A相、B相的上升和下降沿可以進(jìn)行2或4倍頻;Z相為單圈脈沖，即每圈發(fā)出一個(gè)脈沖。

　　增量測(cè)量法的光柵由周期性柵條組成。位置信息通過計(jì)算自某點(diǎn)開始的增量數(shù)(測(cè)量步距數(shù))獲得。由于必須用絕對(duì)參考點(diǎn)確定位置值，因此圓光柵碼盤還有一個(gè)參考點(diǎn)軌。

　　?絕對(duì)式

　　絕對(duì)式編碼器就是對(duì)應(yīng)一圈，每個(gè)基準(zhǔn)的角度發(fā)出一個(gè)唯一與該角度對(duì)應(yīng)二進(jìn)制的數(shù)值，通過外部記圈器件可以進(jìn)行多個(gè)位置的記錄和測(cè)量。

　　編碼器通電時(shí)就可立即得到位置值并隨時(shí)供后續(xù)信號(hào)處理電子電路讀取。無需移動(dòng)軸執(zhí)行參考點(diǎn)回零操作。絕對(duì)位置信息來自圓光柵碼盤，它由一系列絕對(duì)碼組成。單獨(dú)的增量刻軌信號(hào)通過細(xì)分生成位置值，同時(shí)也能生成供選用的增量信號(hào)。

　　單圈編碼器的絕對(duì)位置值信息每轉(zhuǎn)一圈重復(fù)一次。多圈編碼器也能區(qū)分每圈的位置值。

　　圖 2 絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器的圓盤光柵

　　它們存著最大的區(qū)別：在增量編碼器的情況下，位置是從零位標(biāo)記開始計(jì)算的脈沖數(shù)量確定的，而絕對(duì)型編碼器的位置是由輸出代碼的讀數(shù)確定的。在一圈里，每個(gè)位置的輸出代碼的讀數(shù)是唯一的，因此當(dāng)電源斷開時(shí)，絕對(duì)型編碼器并不與實(shí)際的位置分離。如果電源再次接通，那么位置讀數(shù)仍是當(dāng)前的、有效的，不像增量編碼器那樣，必須去尋找零位標(biāo)記。

　　三、編碼器工作原理

　　由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，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)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤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為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。

　　圖 3 編碼器

　　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接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL(HTL)的電信號(hào)，通過對(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。

　　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，他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)。而我們生活中常見的電梯、機(jī)床都剛好是基于電機(jī)的精確調(diào)節(jié)，通過電信號(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。