電機伴侶——編碼器工作原理解析

來源：上海茂碩機械設(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（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。電機運行過程中，實時監(jiān)測電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)軸的圓周方向相對位置等參數(shù)，確定電機本體及被拖動設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)一步地實時控制電機和設(shè)備的運行狀況，從而實現(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量元件，不僅大大簡化了測量系統(tǒng)，而且精密、可靠、功能強大。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)字脈沖信號的旋轉(zhuǎn)式傳感器，這些脈沖信號被控制系統(tǒng)采集、處理，發(fā)出一系列指令，調(diào)整改變設(shè)備的運行狀態(tài)。如果編碼器與齒輪條或螺旋絲杠結(jié)合在一起，也可用于測量直線運動部件的位置、位移物理量。

二、編碼器分類

編碼器基本分類

編碼器是一個機械與電子緊密結(jié)合的精密測量器件，將信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、轉(zhuǎn)換，用以通訊、傳輸和存儲的信號數(shù)據(jù)。按照不同的特征，編碼器分類情況如下：

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

● 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，每個角度增量賦予的編碼。

●混合式絕對值編碼器。混合式絕對值編碼器輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；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)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。其優(yōu)點：原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。缺點：無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。

●絕對值型編碼器

直接輸出數(shù)字量的傳感器，傳感器圓形碼盤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，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時，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，形成二進(jìn)制數(shù)。

這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內(nèi)已有16位的絕對編碼器產(chǎn)品。

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。

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(shè)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。

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式兩種，它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(dāng)然的實現(xiàn)了精確控制。

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