电机伴侣——编码器工作原理解析

更新时间：2023-06-28 点击次数：513

一、什么是编码器

编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。电机运行过程中，实时监测电流、转速、转轴的圆周方向相对位置等参数，确定电机本体及被拖动设备状态，进一步地实时控制电机和设备的运行状况，从而实现伺服、调速等许多特定功能。这里，应用编码器作为前端测量元件，不仅大大简化了测量系统，而且精密、可靠、功能强大。编码器是一种将旋转部件位置、位移物理量转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲信号被控制系统采集、处理，发出一系列指令，调整改变设备的运行状态。如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线运动部件的位置、位移物理量。

二、编码器分类

编码器基本分类

编码器是一个机械与电子紧密结合的精密测量器件，将信号或数据进行编码、转换，用以通讯、传输和存储的信号数据。按照不同的特征，编码器分类情况如下：

● 码盘和码尺。直线位移转换成电信号的编码器称为码尺，角位移转换成电信的为码盘。

● 增量型编码器。提供位置、角度和圈数等信息，以每圈脉冲数定义分别率。

● 绝对值型编码器。以角度增量的方式提供位置、角度和圈数等信息，每个角度增量赋予的编码。

●混合式绝对值编码器。混合式绝对值编码器输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则同增量式编码器的输出信息。

●增量型编码器

直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相。A、B两组脉冲相位差90^o，可方便地判断出旋转方向；Z相每转一个脉冲，用于基准点定位。其优点：原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。缺点：无法输出轴转动的绝对位置信息。

●绝对值型编码器

直接输出数字量的传感器，传感器圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。

这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。

三、编码器工作原理

由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。

四、位置测量及反馈控制原理

在电梯、机床、材料加工、电动机反馈系统以及测量和控制设备中，编码器占领着极其重要的地位。编码器运用光栅和红外光源通过接收器将光信号转换成TTL（HTL）的电信号，通过对TTL电平频率和高电平个数的分析，直观地反映出电机的旋转角度和旋转位置。

由于角度和位置都可以精确的测量，所以可以将编码器和变频器组成闭环控制系统，将控制更加精确化，这也是为什么电梯、机床等能这么精确使用的原因所在。

五、总结

综上所述，我们了解到编码器按结构划分为增量式和绝对式两种，它们也都是将其他信号，比如光信号，转换成可以分析控制的电信号。而我们生活中常见的电梯、机床都刚好是基于电机的精确调节，通过电信号的反馈闭环控制，编码器配合变频器也就理所当然的实现了精确控制。

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