編碼器原理與應(yīng)用簡(jiǎn)介
???? 位置檢測(cè)裝置作為傳動(dòng)控制的重要組成部分，其作用就是檢測(cè)位移量，并發(fā)出反饋信號(hào)與控制裝置發(fā)出的指令信號(hào)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(cè)元件和檢測(cè)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(cè)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(cè)裝置之一，用編碼器作為信號(hào)檢測(cè)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(duì)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(lái)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(lái)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(lái)表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”。
??? 編碼器以檢測(cè)原理來(lái)分，有光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。
??? 編碼器以測(cè)量方式來(lái)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(hào)原理（刻度方法及信號(hào)輸出形式）來(lái)分，有增量型編碼器，絕對(duì)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(pán)，其上有環(huán)形通、暗的刻線，當(dāng)圓盤(pán)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(hào)為具有90度相位差的正弦波，這組信號(hào)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(hào)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(hào)，便可測(cè)得速度值及位移量。
??? 磁性編碼器是近年發(fā)展起來(lái)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(lái)的。光學(xué)編碼器的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)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(jiǎn)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(zhǎng)壽命的要求下，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，磁性編碼器以其突出特點(diǎn)而獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，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(guò)磁力形成脈沖列，產(chǎn)生信號(hào)，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(hào)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(hào)及增量信號(hào)和指數(shù)信號(hào)輸出，還具有絕對(duì)信號(hào)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(wú)疑問(wèn)，在未來(lái)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(pán)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(hào)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(hào)，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(hào)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(duì)于方波信號(hào)，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(cè)量步距，通過(guò)電路對(duì)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(lái)做，0代表低，1代表高，A/B兩相在一個(gè)周期內(nèi)變化是0 0，0 1，1 1，1 0 。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(hào)是SIN/COS類正余弦的信號(hào)來(lái)做，后續(xù)電路可通過(guò)讀取波形相位的變化，用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來(lái)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(wèn)題，模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度與分辨的精確度是一對(duì)矛盾，不可能無(wú)限細(xì)分，分的過(guò)細(xì)，響應(yīng)與精準(zhǔn)度就有問(wèn)題；其次，原編碼器的刻線精度，輸出的類正余弦信號(hào)本身一致性、波形完美度是有限的，分的過(guò)細(xì)，只會(huì)把原來(lái)碼盤(pán)的誤差暴露得更明顯，而帶來(lái)誤差。細(xì)分做起來(lái)容易，但要做好卻很難，其一方面取決于原始碼盤(pán)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(guó)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(qǐng)注意，細(xì)分對(duì)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(pán)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(guò)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(lái)了，它一般就用“位,Bit”來(lái)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(hào)來(lái)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(wú)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(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)力矩小，其具有高精度，大量程測(cè)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(cè)速度，可無(wú)限累加測(cè)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(kāi)機(jī)應(yīng)找零或參考位等問(wèn)題，這些問(wèn)題如選用絕對(duì)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(lái)避免斷電的信號(hào)丟失，也有一些編碼器以單圈是絕對(duì)信號(hào)，而多圈圈數(shù)信號(hào)是內(nèi)置電池與電路用增量計(jì)數(shù)的方法來(lái)獲得，此為偽絕對(duì)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(cè)速，測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，測(cè)移動(dòng)角度、距離（相對(duì)）。
??? 二、絕對(duì)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(guò)計(jì)數(shù)設(shè)備來(lái)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(lái)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(lái)電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過(guò)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(wú)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(guò)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(kāi)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(kāi)機(jī)，我們都能聽(tīng)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(duì)有些工控項(xiàng)目比較麻煩，甚至不允許開(kāi)機(jī)找零（開(kāi)機(jī)后就要知道準(zhǔn)確位置），于是就有了絕對(duì)式編碼器的出現(xiàn)。
??? 1、工作原理：
??? 絕對(duì)編碼器光碼盤(pán)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(guò)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(duì)式編碼器。這樣的編碼器是由碼盤(pán)的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。
??? 絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無(wú)需掉電記憶，無(wú)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(duì)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(lái)越多地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長(zhǎng)度測(cè)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(hào)必須確保連接很好，對(duì)于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來(lái)諸多不便和降低可靠性，因此，絕對(duì)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(duì)值編碼器到多圈絕對(duì)值編碼器：
??? 單圈絕對(duì)值編碼器，以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光電碼盤(pán)各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)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，稱為單圈絕對(duì)值編碼器。
??? 如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度范圍，就要用到多圈絕對(duì)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(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)另一組碼盤(pán)（或多組齒輪，多組碼盤(pán)），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，這樣的絕對(duì)式編碼器就稱為多圈絕對(duì)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(wú)需記憶。
??? 多圈絕對(duì)值編碼器另一個(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(jiǎn)化了安裝調(diào)試難度。
??? 多圈絕對(duì)值編碼器在長(zhǎng)度定位方面的優(yōu)勢(shì)明顯，已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于工控定位中。