精確測量電機位置 編碼器是如何做到的？

　　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?機床又是如何做到精確切割物料的?伺服電機又是如何保證旋轉(zhuǎn)位置精度的?這一切都要歸功于一種神器——編碼器，可是編碼器又是什么?他又是如何精確的測量電機位置的呢?今天就來聊一聊編碼器。

　　一、什么是編碼器

　　編碼器是將信號或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。他是工業(yè)中常用的電機定位設備，可以精確的測試電機的角位移和旋轉(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式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。

　　增量式

　　增量式編碼器通常有3個輸出口，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行2或4倍頻;Z相為單圈脈沖，即每圈發(fā)出一個脈沖。

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

　　絕對式

　　絕對式編碼器就是對應一圈，每個基準的角度發(fā)出一個唯一與該角度對應二進制的數(shù)值，通過外部記圈器件可以進行多個位置的記錄和測量。

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

　　單圈編碼器的絕對位置值信息每轉(zhuǎn)一圈重復一次。多圈編碼器也能區(qū)分每圈的位置值。

　　圖 2 絕對式旋轉(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，位置是從零位標記開始計算的脈沖數(shù)量確定的，而絕對型編碼器的位置是由輸出代碼的讀數(shù)確定的。在一圈里，每個位置的輸出代碼的讀數(shù)是唯一的，因此當電源斷開時，絕對型編碼器并不與實際的位置分離。如果電源再次接通，那么位置讀數(shù)仍是當前的、有效的，不像增量編碼器那樣，必須去尋找零位標記。

　　三、編碼器工作原理

　　由一個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組合成A、B、C、D，每個正弦波相差90度相位差(相對于一個周波為360度)，將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號;另每轉(zhuǎn)輸出一個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數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟型的，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、位置測量及反饋控制原理

　　在電梯、機床、材料加工、電動機反饋系統(tǒng)以及測量和控制設備中，編碼器占領(lǐng)著極其重要的地位。編碼器運用光柵和紅外光源通過接收器將光信號轉(zhuǎn)換成TTL(HTL)的電信號，通過對TTL電平頻率和高電平個數(shù)的分析，直觀地反映出電機的旋轉(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式兩種，他們也都是將其他信號，比如光信號，轉(zhuǎn)換成可以分析控制的電信號。而我們生活中常見的電梯、機床都剛好是基于電機的精確調(diào)節(jié)，通過電信號的反饋閉環(huán)控制，編碼器配合變頻器也就理所當然的實現(xiàn)了精確控制。