编码器原理与应用简介

编码器原理与应用简介

     位置检测装置作为传动控制的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并发出反馈信号与控制装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了提高机械装置的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。其中以旋转编码器，线性编码器（光栅尺、磁栅尺），旋转变压器，测速发电机等比较普遍，其中编码器是各类机械最常用的检测装置之一，用编码器作为信号检测的方法，已经广泛用于数控机床、纺织机械、冶金机械、石油机械、矿山机械、印刷包装机械、塑料机械、试验机、电梯、伺服电机、航空、仪器仪表等工业自动化领域。编码器种类繁多，不同的行业用户对编码器的参数、规格要求各不相同。

    编码器以读出方式来分，有接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。

    编码器以检测原理来分，有光学式、磁式、感应式和电容式。

    编码器以测量方式来分，有直线型编码器（光栅尺、磁栅尺），旋转型编码器。

    编码器以信号原理（刻度方法及信号输出形式）来分，有增量型编码器，绝对型编码器和混合式三种。

    一、增量型编码器（旋转型）

    1、工作原理：

    光学编码器由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，当圆盘旋转一个节距时，在发光元件照射下，光敏元件得到A，B信号为具有90度相位差的正弦波，这组信号经放大器放大与整形，得到的输出方波，A相比B相导前90度，其电压幅值一般为5V。设A相导前B相时为正方向旋转，则B相导前A相时即为负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别编码器的的正转与反转，C相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点脉冲，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲，可获得编码器的零位参考位。AB相脉冲信号经频率—电压变换后，得到与转轴转速成比例的电压信号，便可测得速度值及位移量。

    磁性编码器是近年发展起来的一种新型电磁敏感元件，它是随着光学编码器的发展而发展起来的。光学编码器的主要优点是对潮湿气体和污染敏感，但可靠性差，而磁性编码器不易受尘埃和结露影响，同时其结构简单紧凑，可高速运转，响应速度快（达500～700kHz），体积比光学式编码器小，而成本更低，且易将多个元件精确地排列组合，比用光学元件和半导体磁敏元件更容易构成新功能器件和多功能器件。在高速度、高精度、小型化、长寿命的要求下，在激烈的市场竞争中，磁性编码器以其突出特点而独具优势，成为发展高技术产品的关键之一。

    磁性编码器原理是通过磁力形成脉冲列，产生信号，其特征为将未硫化的橡胶中混合稀土类磁性粉末形成磁性橡胶坯子，硫化粘附在加强环（1）上，形成磁性橡胶环（2），在该磁性橡胶环上以圆周状交替着磁，产生S极和N极。同时采用新型的SMR（磁敏电阻）或霍尔效应传感器作为敏感元件，信号稳定、可靠。此外，采用双层布线工艺，还能使磁性编码器不仅具有一般编码器仅有的增量信号及增量信号和指数信号输出，还具有绝对信号输出功能。所以，尽管目前约占90%的编码器均为光学编码器，但毫无疑问，在未来的运动控制系统中，磁性编码器的用量将逐渐增多。

    2、增量编码器的分辨率，倍频与细分技术

    增量编码器码盘是由很多光栅刻线组成的，有两个（或4个，以后讨论4个光眼的）光眼读取A,B信号的，刻线的密度决定了这个增量型编码器的分辨率，也就是可以分辨读取的最小变化角度值。代表增量编码器的分辨率的参数是PPR,也就是每转脉冲数。

    增量编码器的A/B输出的波形一般有两种，一种是有陡直上升沿和陡直下降沿的方波信号，一种是缓慢上升与下降，波形类似正弦曲线的Sin/Cos曲线波形信号输出，A与B相差1/4T周期90度相位，如果A是类正弦Sin曲线，那B就是类余弦Cos曲线。

    对于方波信号，A,B两相相差90度相（1/4T），这样，在0度相位角，90度，180度，270度相位角,这四个位置有上升沿和下降沿，这样,实际上在1/4T方波周期就可以有角度变化的判断，这样1/4的T周期就是最小测量步距，通过电路对于这些上升沿与下降沿的判断,可以4倍于PPR读取角度的变化,这就是方波的四倍频。这种判断，也可以用逻辑来做，0代表低，1代表高，A/B两相在一个周期内变化是0 0，0 1，1 1，1 0 。这种判断不仅可以4倍频，还可以判断旋转方向。

    严格地讲，方波最高只能做4倍频，虽然有人用时差法可以分的更细，但那基本不是增量编码器推荐的，更高的分频要用增量脉冲信号是SIN/COS类正余弦的信号来做，后续电路可通过读取波形相位的变化，用模数转换电路来细分，5倍、10倍、20倍，甚至100倍以上，分好后再以方波波形输出（PPR）。分频的倍数实际是有限制的，首先，模数转换有时间响应问题，模数转换的速度与分辨的精确度是一对矛盾，不可能无限细分，分的过细，响应与精准度就有问题；其次，原编码器的刻线精度，输出的类正余弦信号本身一致性、波形完美度是有限的，分的过细，只会把原来码盘的误差暴露得更明显，而带来误差。细分做起来容易，但要做好却很难，其一方面取决于原始码盘的刻线精度与输出波形完美度，另一方面取决于细分电路的响应速度与分辨精准度。例如，德国的工业编码器，推荐的最佳细分是20倍，更高的细分是其推荐的精度更高的角度编码器，但旋转的速度是很低的。

    一个增量编码器细分后输出A/B/Z方波的，还可以再次4倍频，但是请注意，细分对于编码器的旋转速度是有要求的，一般都较低。另外，如原始码盘的刻线精度不高、波形不完美，或细分电路本身的限制，细分也许会波形严重失真，大小步，丢步等，选用及使用时需注意。

    有些增量编码器，其原始刻线可以是2048线（2的11次方，11位），通过16倍（4位）细分，得到15位PPR ,再次4倍频（2位），得到了17位（Bit）的分辨率，这就是有些日系编码器的17位高位数编码器的得来了，它一般就用“位,Bit”来表达分辨率了。这种日系的编码器在较快速度时，内部仍然要用未细分的低位信号来处理输出的，要不然响应就跟不上了，所以不要被它的“17位”迷惑了。

    3、增量式编码器的特点：

    增量型编码器的特点是：非接触式的，无摩擦和磨损，体积小，重量轻，机构紧凑，安装方便，维护简单，驱动力矩小，其具有高精度，大量程测量，反应快，数字化输出特点；

    增量式编码器非常适合测速度，可无限累加测量。但是存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用绝对型编码器可以解决。

    内置电池技术：

    有一些编码器以内置电池来避免断电的信号丢失，也有一些编码器以单圈是绝对信号，而多圈圈数信号是内置电池与电路用增量计数的方法来获得，此为伪绝对型编码器，其受电池寿命、电池低温失效、受振电池触点不良等因数影响，而大大降低可靠性。

    4、增量型编码器的一般应用：

    测速，测转动方向，测移动角度、距离（相对）。

    二、绝对型编码器（旋转型）

    增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。

    解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。

    比如，打印机扫描仪的定位就用的是增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。

    这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对式编码器的出现。

    1、工作原理：

    绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对式编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。

    绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需掉电记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

    由于绝对式编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制中。但因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和降低可靠性，因此，绝对式编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出。

    2、从单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器：

    单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。

    如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对值编码器。

    编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对式编码器就称为多圈绝对值编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。

    多圈绝对值编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。

    多圈绝对值编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中。