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(lái)聊一聊編碼器。

　　一、什么是編碼器

　　編碼器是將信號或數據進(jìn)行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線(xiàn)位移轉換成電信號，前者稱(chēng)為碼盤(pán)，后者稱(chēng)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位置。

　　圖 1 編碼器

　　二、編碼器分類(lèi)

　　按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類(lèi)。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個(gè)電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個(gè)數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個(gè)位置對應一個(gè)確定的數字碼，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(guò)程無(wú)關(guān)。

　　增量式

　　增量式編碼器通常有3個(gè)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，根據延遲關(guān)系可以區別正反轉，而且通過(guò)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。

　　增量測量法的光柵由周期性柵條組成。位置信息通過(guò)計算自某點(diǎn)開(kāi)始的增量數(測量步距數)獲得。由于必須用絕對參考點(diǎn)確定位置值，因此圓光柵碼盤(pán)還有一個(gè)參考點(diǎn)軌。

　　絕對式

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

　　編碼器通電時(shí)就可立即得到位置值并隨時(shí)供后續信號處理電子電路讀取。無(wú)需移動(dòng)軸執行參考點(diǎn)回零操作。絕對位置信息來(lái)自圓光柵碼盤(pán)，它由一系列絕對碼組成。單獨的增量刻軌信號通過(guò)細分生成位置值，同時(shí)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一圈重復一次。多圈編碼器也能區分每圈的位置值。

　　圖 2 絕對式旋轉編碼器的圓盤(pán)光柵

　　它們存著(zhù)最大的區別：在增量編碼器的情況下，位置是從零位標記開(kāi)始計算的脈沖數量確定的，而絕對型編碼器的位置是由輸出代碼的讀數確定的。在一圈里，每個(gè)位置的輸出代碼的讀數是唯一的，因此當電源斷開(kāi)時(shí)，絕對型編碼器并不與實(shí)際的位置分離。如果電源再次接通，那么位置讀數仍是當前的、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(gè)中心有軸的光電碼盤(pán)，其上有環(huán)形通、暗的刻線(xiàn)，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(gè)正弦波相差90度相位差(相對于一個(gè)周波為360度)，將C、D信號反向，疊加在A(yíng)、B兩相上，可增強穩定信號;另每轉輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。

　　由于A(yíng)、B兩相相差90度，可通過(guò)比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤(pán)的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤(pán)是在玻璃上沉積很薄的刻線(xiàn)，其熱穩定性好，精度高，金屬碼盤(pán)直接以通和不通刻線(xiàn)，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩定性就要比玻璃的差一個(gè)數量級，塑料碼盤(pán)是經(jīng)濟型的，其成本低，但精度、熱穩定性、壽命均要差一些。

　　分辨率—編碼器以每旋轉360度提供多少的通或暗刻線(xiàn)稱(chēng)為分辨率，也稱(chēng)解析分度、或直接稱(chēng)多少線(xiàn)，一般在每轉分度5~10000線(xiàn)。

　　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(dòng)機反饋系統以及測量和控制設備中，編碼器占領(lǐng)著(zhù)極其重要的地位。編碼器運用光柵和紅外光源通過(guò)接收器將光信號轉換成TTL(HTL)的電信號，通過(guò)對TTL電平頻率和高電平個(gè)數的分析，直觀(guān)地反映出電機的旋轉角度和旋轉位置。

　　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，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構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，轉換成可以分析控制的電信號。而我們生活中常見(jiàn)的電梯、機床都剛好是基于電機的精確調節，通過(guò)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(shí)現了精確控制。