項(xiàng)目名稱：幾種不同電機(jī)編碼器的介紹

關(guān)鍵詞：增量式電機(jī)、絕對(duì)值電機(jī)、光電編碼器、磁編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器

內(nèi)容概要：以介紹性為主，針對(duì)公司內(nèi)部的幾種不同規(guī)格的電機(jī)、編碼器等，進(jìn)行簡(jiǎn)要的概念性介紹和說明，方便公司的成員對(duì)電機(jī)、編碼器的基本內(nèi)容有一定的常識(shí)掌握。

一、 電機(jī)的基本介紹

電機(jī)，是指根據(jù)電磁感應(yīng)定律，對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的執(zhí)行設(shè)備，可根據(jù)能量轉(zhuǎn)化的不同，分成電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。電動(dòng)機(jī)，俗稱馬達(dá)，即將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，也是我們常見常用的方式；發(fā)電機(jī)，即將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，用于發(fā)電等場(chǎng)合。

1.1 伺服電機(jī)

電機(jī)分類方式不同，叫法也各不相同，下面簡(jiǎn)單通過幾種分類方式和流程圖，來分別介紹電機(jī)的分類。

首先，按照工作電源種類劃分，可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，其中直流電機(jī)按照結(jié)構(gòu)和工作原理，又可分為無刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)；交流電機(jī)，按照電壓的不同，又可分為單相電機(jī)和三相電機(jī)。

圖1.1 工作電源種類分類圖

其次，按照結(jié)構(gòu)和工作原理劃分，可分為直流電機(jī)、同步電機(jī)和異步電機(jī)，其中同步電機(jī)又可分為永磁同步電機(jī)、磁阻同步電機(jī)和磁滯同步電機(jī)；異步電機(jī)又可分為感應(yīng)電機(jī)和交流換向器電機(jī)。

圖1.2 結(jié)構(gòu)和工作原理分類圖

最后，按照用途劃分，可分為驅(qū)動(dòng)用電機(jī)和控制用電機(jī)，其中驅(qū)動(dòng)用電機(jī)又可分為電動(dòng)工具用電機(jī)、家電用電機(jī)和其他通用小型機(jī)械設(shè)備用電機(jī)；控制用電機(jī)又可分為步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。

圖1.3 用途分類圖

常見的伺服電機(jī)，是永磁同步交流伺服電機(jī)，其內(nèi)部轉(zhuǎn)子是永磁鐵。驅(qū)動(dòng)器通過控制U、V、W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在電磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)后銜接的編碼器通過電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生反饋的編碼器信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器再根據(jù)反饋值和目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。由此可以看出，電機(jī)的控制精度，取決于編碼器的精度（或稱為線數(shù)）。

1.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)

伺服電機(jī)，主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子鐵芯通常用硅鋼片疊壓而成，表面的槽內(nèi)嵌有兩項(xiàng)繞組，其中一相繞組是勵(lì)磁繞組，另一相繞組是控制繞組，如圖1.4、1.5、1.6所示

將一臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行拆開后，就可以清楚看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)了，如圖1.7所示，除了定子和轉(zhuǎn)子外，電機(jī)尾部的編碼器也是構(gòu)成伺服電機(jī)的重要的一部分，在后續(xù)的章節(jié)中將進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹。

圖1.7 伺服電機(jī)組合圖

電機(jī)常見的術(shù)語有以下幾種，這里做簡(jiǎn)要的說明：

（1）旋轉(zhuǎn)方向：從電機(jī)的傳動(dòng)端（電機(jī)軸端）朝非傳動(dòng)端（編碼器端）沿軸向看電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

（2）機(jī)械角度：從幾何上把電機(jī)圓周分成360度，稱之為機(jī)械角度。

（3）電氣角度：簡(jiǎn)稱電角度，對(duì)于交流電機(jī)來說，電樞線圈中感生的按正弦變化的電勢(shì)的一個(gè)周期為360度電角度，若電機(jī)有P對(duì)磁極，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的電角度為P×機(jī)械角度。

（4）慣性：物體對(duì)加速或減速的慣性測(cè)量值。這里用于指電機(jī)所要移動(dòng)負(fù)載的慣性，或電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性。

（5）法蘭：又稱法蘭凸緣盤，用于連接兩個(gè)設(shè)備的一種組合密封結(jié)構(gòu)，一般成對(duì)使用，常見的法蘭有60#、80#、90#、110#、130#、150#、180#等，如圖1.8所示。

圖1.8 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

二、 編碼器

2.1 編碼器簡(jiǎn)介

編碼器，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。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器想要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，則U、V、W三相電輸出帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，要想使電機(jī)轉(zhuǎn)到某個(gè)位置或角度，我們成這個(gè)位置為目標(biāo)值，則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中就需要知道電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)了多少，在什么位置，否則電機(jī)只會(huì)一味地轉(zhuǎn)下去。在這個(gè)過程中，編碼器就充當(dāng)了反饋的角色，通過編碼劃分轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈的不同位置，再跟隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)將當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置反饋給驅(qū)動(dòng)器，以便驅(qū)動(dòng)器知道當(dāng)前的位置是否以及達(dá)到目標(biāo)值，一旦達(dá)到目標(biāo)值，則控制U、V、W三相電的輸出，使轉(zhuǎn)子停在該位置保持不動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了任意位置或角度的控制。如圖2.1，簡(jiǎn)要介紹了編碼器的組成。

圖2.1 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 編碼器的分類

編碼器根據(jù)定義方式不同，分類也不同，下面簡(jiǎn)要介紹幾種分類的方式。

首先，按碼盤的刻孔方式劃分，可分為增量式和絕對(duì)值型，下述內(nèi)容將其進(jìn)行詳細(xì)的介紹說明。

其次，按機(jī)械結(jié)構(gòu)劃分，可分為旋轉(zhuǎn)編碼器和線性編碼器，其中旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用最為廣泛，也最為常見，用于測(cè)量機(jī)械設(shè)備角度和速度；線性編碼器又可分為拉線編碼器和支線編碼器，多用于測(cè)量線性位移。旋轉(zhuǎn)編碼器基準(zhǔn)光柵是一個(gè)刻度均勻的玻璃圓盤（碼盤）把角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而線性編碼器則是玻璃標(biāo)尺（碼尺），把直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，如圖2.2、2.3所示。

最后，按照編碼器的工作原理劃分，可分為光電式、磁電式和觸點(diǎn)電刷式，其中以光電式和磁電式較為常見，這里簡(jiǎn)要介紹一下光電式編碼器，磁電式編碼器將在后面的章節(jié)中進(jìn)行介紹。

光電編碼器主要是由光柵盤（分度碼盤）和光電檢測(cè)裝置（接收器）組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光柵盤與電機(jī)同軸，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管垂直照射光柵盤，把光柵盤圖像投射到由光敏元件構(gòu)成的光電檢測(cè)裝置（接收器）上，光電檢測(cè)裝置能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)化為電氣信號(hào)，使得光柵盤轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的光變化經(jīng)轉(zhuǎn)換后以相應(yīng)的脈沖信號(hào)的變化輸出（碼盤隨電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，光源不動(dòng)），如圖2.4所示。

圖2.4 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 增量式編碼器

增量式編碼器，是將位移轉(zhuǎn)化為周期性的電信號(hào)，再把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)脈沖，用計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)來表示位移量。常見的增量式編碼器為光電式，是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相，A、B兩組脈沖相位相差90°（或相互延遲1/4周期），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，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位，如圖2.5、2.6所示。

由于增量式編碼是通過旋轉(zhuǎn)方式用計(jì)數(shù)脈沖來表示位移量，在驅(qū)動(dòng)器不斷電的情況下，可以通過記錄轉(zhuǎn)過的脈沖數(shù)的方式，來記錄位移的量，但是一旦驅(qū)動(dòng)器斷電了，除非電機(jī)保持不動(dòng)，否則其位置無法與驅(qū)動(dòng)器記錄的位置的脈沖數(shù)相匹配，故一般情況下，驅(qū)動(dòng)器上電后先要估測(cè)驅(qū)動(dòng)器的角度和位置，然后等待首圈接收到Z脈沖信號(hào)，作為校準(zhǔn)，以重新開始計(jì)數(shù)，這也是增量式編碼器在一些場(chǎng)合使用時(shí)需要進(jìn)行回原或開機(jī)找零點(diǎn)的原因。

增量式編碼器，又可分為省線式和非省線式。在編碼器線的反饋信號(hào)中，提供了A、B、Z、U、V、W六種信號(hào)，其中U、V、W信號(hào)為驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)器的位置信息。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器上電后讀取到U、V、W信號(hào)時(shí)，就可以確定電機(jī)定子電流的初始相位角，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來后，經(jīng)過了Z脈沖，就可以借助A、B、Z信號(hào)，精準(zhǔn)的測(cè)量伺服轉(zhuǎn)子的位置，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器就不再需要U、V、W信號(hào)了，所以U、V、W信號(hào)僅起到電機(jī)繞組上電前提供轉(zhuǎn)子位置信息的作用。省線式和非省線式的區(qū)別，就在于編碼器線內(nèi)是否含有U、V、W信號(hào)，沒有，則是省線式，有，則是非省線式。標(biāo)準(zhǔn)的非省線式電機(jī)，是A、B、Z、U、V、W信號(hào)并行輸出，即使首圈Z脈沖過后，已不需要此信號(hào)，但是U、V、W信號(hào)仍舊一直輸出。所謂的省線式，并不是不提供U、V、W信號(hào)，而是依據(jù)驅(qū)動(dòng)器需要的先后順序，將U、V、W和A、B、Z信號(hào)分時(shí)在標(biāo)示了A、B、Z信號(hào)的引出線上做輸出，以達(dá)到滿足驅(qū)動(dòng)器所需信息的目的。

2.2.2 絕對(duì)值編碼器

絕對(duì)值編碼器，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。在絕對(duì)值的編碼器碼盤上，有許多道光通道刻線，每道刻線以2線、4線、8線、16線等順序依次排列，這樣，在編碼器的每一位置，通過讀取每道刻線的亮、暗，獲取一組以2為底的0到n-1次方二進(jìn)制編碼，且每個(gè)編碼都是唯一的。我們常說的17位、23位絕對(duì)值編碼器，就是指編碼的n次方，如圖2.7所示

圖2.7 絕對(duì)值編碼器碼盤圖

與增量式編碼器不同，絕對(duì)式編碼器不是輸出脈沖，而是輸出數(shù)字信號(hào)以指示編碼器位置，并且每個(gè)數(shù)字信號(hào)都是唯一的，因此即使驅(qū)動(dòng)器電源切除后位置信息也不會(huì)丟失，什么時(shí)候需要知道位置就什么時(shí)候去讀取它的位置，重新啟動(dòng)后系統(tǒng)可立即恢復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖2.8 二進(jìn)制碼（左）和格雷碼（右）圖

絕對(duì)值編碼器，可以分為單圈絕對(duì)值編碼器和多圈絕對(duì)值編碼器。單圈絕對(duì)值編碼器，是指以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)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(duì)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(cè)量。多圈絕對(duì)值編碼器，是指運(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(cè)量范圍，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。多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測(cè)量范圍大，實(shí)際使用往往富余較多，這樣在安裝時(shí)不用費(fèi)勁找零點(diǎn)， 將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，從而大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試的難度，如圖2.9所示。

圖2.9 絕對(duì)值編碼器單圈（左）和多圈（右）對(duì)比圖

2.2.3 磁編碼器

磁電式編碼器采用磁電式設(shè)計(jì)，通過磁感應(yīng)器件、利用磁場(chǎng)的變化來產(chǎn)生和提供轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，利用磁器件代替了傳統(tǒng)的碼盤，彌補(bǔ)了光電編碼器的一些缺陷，更具抗震、耐腐蝕、耐污染、性能可靠高、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。

磁電式編碼器主要部分由磁阻傳感器、磁鼓、信號(hào)處理電路組成。將磁鼓刻錄成等間距的小磁極，磁極被磁化后，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生周期分布的空間漏磁場(chǎng)。磁傳感器探頭通過磁電阻效應(yīng)將變化著的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化，在外加電勢(shì)的作用下，變化的電阻值轉(zhuǎn)化成電壓的變化，經(jīng)過后續(xù)信號(hào)處理電路的處理，模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)磁旋轉(zhuǎn)編碼器的編碼功能。

圖2.10 磁電式編碼器組成圖

磁電編碼器原理類似光電編碼器，但其采用的是磁場(chǎng)信號(hào)。在磁編碼器內(nèi)部采用一個(gè)磁性轉(zhuǎn)盤和磁阻傳感器。磁性轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)會(huì)引起內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，磁阻傳感器檢測(cè)到磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化后再經(jīng)過電路的信號(hào)處理即可輸出信號(hào)。磁性轉(zhuǎn)盤的磁極數(shù)，磁阻傳感器的數(shù)量及信號(hào)處理的方式?jīng)Q定了磁編碼器的分辨率。采用磁場(chǎng)原理產(chǎn)生信號(hào)的優(yōu)勢(shì)是磁場(chǎng)信號(hào)不會(huì)受到灰塵，濕氣，高溫及振動(dòng)的影響。

2.2.4 旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器，可簡(jiǎn)稱為“旋變”，是一種精密角度、位置、速度檢測(cè)裝置，是輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成一定函數(shù)關(guān)系的特種電機(jī)，其一、二次側(cè)繞組分別放在定、轉(zhuǎn)子上，一次側(cè)繞組與二次側(cè)繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角密切相關(guān)，適用于所有使用旋轉(zhuǎn)編碼器的場(chǎng)合，特別是高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、高震動(dòng)等旋轉(zhuǎn)編碼器無法正常工作的場(chǎng)合。

圖2.11 旋轉(zhuǎn)變壓器圖

旋轉(zhuǎn)變壓器和普通變壓器的基本原理相似，區(qū)別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是固定的，因而其輸出電壓與輸入電壓之比是常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器和原邊、副邊是隨著轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置的改變，因而其輸出電壓的大小隨著轉(zhuǎn)子的角位移而發(fā)生著變化，其輸出電壓的幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦或線性關(guān)系。

旋轉(zhuǎn)變壓器與其他編碼器的不同之處，在于其輸出的是模擬量正余弦信號(hào)，而不是方波脈沖信號(hào)，因此在應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中，需要一定的接口電路，或者稱為分解器數(shù)字變換器，來實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到控制系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。分解器是旋轉(zhuǎn)變壓器的另一種叫法，因?yàn)樾D(zhuǎn)變壓器輸出正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，其實(shí)就是一種信號(hào)正交分解的形式。