編碼器原理與應(yīng)用簡介

位置檢測裝置作為傳動(dòng)控制的重要組成部分，其作用就是檢測位移量，并發(fā)出反饋信號與控制裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件使其向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直至偏差等于零為止。為了提高機(jī)械裝置的加工精度，必須提高檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度。其中以旋轉(zhuǎn)編碼器，線性編碼器（光柵尺、磁柵尺），旋轉(zhuǎn)變壓器，測速發(fā)電機(jī)等比較普遍，其中編碼器是各類機(jī)械最常用的檢測裝置之一，用編碼器作為信號檢測的方法，已經(jīng)廣泛用于數(shù)控機(jī)床、紡織機(jī)械、冶金機(jī)械、石油機(jī)械、礦山機(jī)械、印刷包裝機(jī)械、塑料機(jī)械、試驗(yàn)機(jī)、電梯、伺服電機(jī)、航空、儀器儀表等工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。編碼器種類繁多，不同的行業(yè)用戶對編碼器的參數(shù)、規(guī)格要求各不相同。

編碼器以讀出方式來分，有接觸式和非接觸式兩種。接觸式采用電刷輸出，電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”。

編碼器以檢測原理來分，有光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。

編碼器以測量方式來分，有直線型編碼器（光柵尺、磁柵尺），旋轉(zhuǎn)型編碼器。

編碼器以信號原理（刻度方法及信號輸出形式）來分，有增量型編碼器，絕對型編碼器和混合式三種。

一、增量型編碼器（旋轉(zhuǎn)型）

1、工作原理：

光學(xué)編碼器由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)節(jié)距時(shí)，在發(fā)光元件照射下，光敏元件得到A，B信號為具有90度相位差的正弦波，這組信號經(jīng)放大器放大與整形，得到的輸出方波，A相比B相導(dǎo)前90度，其電壓幅值一般為5V。設(shè)A相導(dǎo)前B相時(shí)為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相導(dǎo)前A相時(shí)即為負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，利用A相與B相的相位關(guān)系可以判別編碼器的的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，C相產(chǎn)生的脈沖為基準(zhǔn)脈沖，又稱零點(diǎn)脈沖，它是軸旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個(gè)脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。AB相脈沖信號經(jīng)頻率—電壓變換后，得到與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速成比例的電壓信號，便可測得速度值及位移量。

磁性編碼器是近年發(fā)展起來的一種新型電磁敏感元件，它是隨著光學(xué)編碼器的發(fā)展而發(fā)展起來的。光學(xué)編碼器的主要優(yōu)點(diǎn)是對潮濕氣體和污染敏感，但可靠性差，而磁性編碼器不易受塵埃和結(jié)露影響，同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可高速運(yùn)轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度快（達(dá)500～700kHz），體積比光學(xué)式編碼器小，而成本更低，且易將多個(gè)元件精確地排列組合，比用光學(xué)元件和半導(dǎo)體磁敏元件更容易構(gòu)成新功能器件和多功能器件。在高速度、高精度、小型化、長壽命的要求下，在激烈的市場競爭中，磁性編碼器以其突出特點(diǎn)而獨(dú)具優(yōu)勢，成為發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)品的關(guān)鍵之一。

磁性編碼器原理是通過磁力形成脈沖列，產(chǎn)生信號，其特征為將未硫化的橡膠中混合稀土類磁性粉末形成磁性橡膠坯子，硫化粘附在加強(qiáng)環(huán)（1）上，形成磁性橡膠環(huán)（2），在該磁性橡膠環(huán)上以圓周狀交替著磁，產(chǎn)生S極和N極。同時(shí)采用新型的SMR（磁敏電阻）或霍爾效應(yīng)傳感器作為敏感元件，信號穩(wěn)定、可靠。此外，采用雙層布線工藝，還能使磁性編碼器不僅具有一般編碼器僅有的增量信號及增量信號和指數(shù)信號輸出，還具有絕對信號輸出功能。所以，盡管目前約占90%的編碼器均為光學(xué)編碼器，但毫無疑問，在未來的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，磁性編碼器的用量將逐漸增多。

2、增量編碼器的分辨率，倍頻與細(xì)分技術(shù)

增量編碼器碼盤是由很多光柵刻線組成的，有兩個(gè)（或4個(gè)，以后討論4個(gè)光眼的）光眼讀取A,B信號的，刻線的密度決定了這個(gè)增量型編碼器的分辨率，也就是可以分辨讀取的最小變化角度值。代表增量編碼器的分辨率的參數(shù)是PPR,也就是每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。

增量編碼器的A/B輸出的波形一般有兩種，一種是有陡直上升沿和陡直下降沿的方波信號，一種是緩慢上升與下降，波形類似正弦曲線的Sin/Cos曲線波形信號輸出，A與B相差1/4T周期90度相位，如果A是類正弦Sin曲線，那B就是類余弦Cos曲線。

對于方波信號，A,B兩相相差90度相（1/4T），這樣，在0度相位角，90度，180度，270度相位角,這四個(gè)位置有上升沿和下降沿，這樣,實(shí)際上在1/4T方波周期就可以有角度變化的判斷，這樣1/4的T周期就是最小測量步距，通過電路對于這些上升沿與下降沿的判斷,可以4倍于PPR讀取角度的變化,這就是方波的四倍頻。這種判斷，也可以用邏輯來做，0代表低，1代表高，A/B兩相在一個(gè)周期內(nèi)變化是00，01，11，10。這種判斷不僅可以4倍頻，還可以判斷旋轉(zhuǎn)方向。

嚴(yán)格地講，方波最高只能做4倍頻，雖然有人用時(shí)差法可以分的更細(xì)，但那基本不是增量編碼器推薦的，更高的分頻要用增量脈沖信號是SIN/COS類正余弦的信號來做，后續(xù)電路可通過讀取波形相位的變化，用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來細(xì)分，5倍、10倍、20倍，甚至100倍以上，分好后再以方波波形輸出（PPR）。分頻的倍數(shù)實(shí)際是有限制的，首先，模數(shù)轉(zhuǎn)換有時(shí)間響應(yīng)問題，模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度與分辨的精確度是一對矛盾，不可能無限細(xì)分，分的過細(xì)，響應(yīng)與精準(zhǔn)度就有問題；其次，原編碼器的刻線精度，輸出的類正余弦信號本身一致性、波形完美度是有限的，分的過細(xì)，只會(huì)把原來碼盤的誤差暴露得更明顯，而帶來誤差。細(xì)分做起來容易，但要做好卻很難，其一方面取決于原始碼盤的刻線精度與輸出波形完美度，另一方面取決于細(xì)分電路的響應(yīng)速度與分辨精準(zhǔn)度。例如，德國的工業(yè)編碼器，推薦的最佳細(xì)分是20倍，更高的細(xì)分是其推薦的精度更高的角度編碼器，但旋轉(zhuǎn)的速度是很低的。

一個(gè)增量編碼器細(xì)分后輸出A/B/Z方波的，還可以再次4倍頻，但是請注意，細(xì)分對于編碼器的旋轉(zhuǎn)速度是有要求的，一般都較低。另外，如原始碼盤的刻線精度不高、波形不完美，或細(xì)分電路本身的限制，細(xì)分也許會(huì)波形嚴(yán)重失真，大小步，丟步等，選用及使用時(shí)需注意。

有些增量編碼器，其原始刻線可以是2048線（2的11次方，11位），通過16倍（4位）細(xì)分，得到15位PPR,再次4倍頻（2位），得到了17位（Bit）的分辨率，這就是有些日系編碼器的17位高位數(shù)編碼器的得來了，它一般就用“位,Bit”來表達(dá)分辨率了。這種日系的編碼器在較快速度時(shí)，內(nèi)部仍然要用未細(xì)分的低位信號來處理輸出的，要不然響應(yīng)就跟不上了，所以不要被它的“17位”迷惑了。

3、增量式編碼器的特點(diǎn)：

增量型編碼器的特點(diǎn)是：非接觸式的，無摩擦和磨損，體積小，重量輕，機(jī)構(gòu)緊湊，安裝方便，維護(hù)簡單，驅(qū)動(dòng)力矩小，其具有高精度，大量程測量，反應(yīng)快，數(shù)字化輸出特點(diǎn)；

增量式編碼器非常適合測速度，可無限累加測量。但是存在零點(diǎn)累計(jì)誤差，抗干擾較差，接收設(shè)備的停機(jī)需斷電記憶，開機(jī)應(yīng)找零或參考位等問題，這些問題如選用絕對型編碼器可以解決。

內(nèi)置電池技術(shù)：

有一些編碼器以內(nèi)置電池來避免斷電的信號丟失，也有一些編碼器以單圈是絕對信號，而多圈圈數(shù)信號是內(nèi)置電池與電路用增量計(jì)數(shù)的方法來獲得，此為偽絕對型編碼器，其受電池壽命、電池低溫失效、受振電池觸點(diǎn)不良等因數(shù)影響，而大大降低可靠性。

4、增量型編碼器的一般應(yīng)用：

測速，測轉(zhuǎn)動(dòng)方向，測移動(dòng)角度、距離（相對）。

二、絕對型編碼器（旋轉(zhuǎn)型）

增量式編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過計(jì)數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動(dòng)，當(dāng)來電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。

解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn)，開機(jī)找零等方法。

比如，打印機(jī)掃描儀的定位就用的是增量式編碼器原理，每次開機(jī)，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點(diǎn)，然后才工作。

這樣的方法對有些工控項(xiàng)目比較麻煩，甚至不允許開機(jī)找零（開機(jī)后就要知道準(zhǔn)確位置），于是就有了絕對式編碼器的出現(xiàn)。

1、工作原理：

絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排，這樣，在編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對式編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

絕對編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無需掉電記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

由于絕對式編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制中。但因其高精度，輸出位數(shù)較多，如仍用并行輸出，其每一位輸出信號必須確保連接很好，對于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來諸多不便和降低可靠性，因此，絕對式編碼器在多位數(shù)輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出。

2、從單圈絕對值編碼器到多圈絕對值編碼器：

單圈絕對值編碼器，以轉(zhuǎn)動(dòng)中測量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過360度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對值編碼器。

如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360度范圍，就要用到多圈絕對值編碼器。

編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過齒輪傳動(dòng)另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測量范圍，這樣的絕對式編碼器就稱為多圈絕對值編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。

多圈絕對值編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多，這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn)，將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，而大大簡化了安裝調(diào)試難度。

多圈絕對值編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。