電機伴侶——編碼器工作原理解析

更新時間：2023-06-28 點擊次數：1823

一、什么是編碼器

編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。電機運行過程中，實時監測電流、轉速、轉軸的圓周方向相對位置等參數，確定電機本體及被拖動設備狀態，進一步地實時控制電機和設備的運行狀況，從而實現伺服、調速等許多特定功能。這里，應用編碼器作為前端測量元件，不僅大大簡化了測量系統，而且精密、可靠、功能強大。編碼器是一種將旋轉部件位置、位移物理量轉換成一串數字脈沖信號的旋轉式傳感器，這些脈沖信號被控制系統采集、處理，發出一系列指令，調整改變設備的運行狀態。如果編碼器與齒輪條或螺旋絲杠結合在一起，也可用于測量直線運動部件的位置、位移物理量。

二、編碼器分類

編碼器基本分類

編碼器是一個機械與電子緊密結合的精密測量器件，將信號或數據進行編碼、轉換，用以通訊、傳輸和存儲的信號數據。按照不同的特征，編碼器分類情況如下：

● 碼盤和碼尺。直線位移轉換成電信號的編碼器稱為碼尺，角位移轉換成電信的為碼盤。

● 增量型編碼器。提供位置、角度和圈數等信息，以每圈脈沖數定義分別率。

● 絕對值型編碼器。以角度增量的方式提供位置、角度和圈數等信息，每個角度增量賦予的編碼。

●混合式絕對值編碼器。混合式絕對值編碼器輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；另一組則同增量式編碼器的輸出信息。

●增量型編碼器

直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相。A、B兩組脈沖相位差90^o，可方便地判斷出旋轉方向；Z相每轉一個脈沖，用于基準點定位。其優點：原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。缺點：無法輸出軸轉動的絕對位置信息。

●絕對值型編碼器

直接輸出數字量的傳感器，傳感器圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區相間組成，相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系，碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數，在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進制數。

這種編碼器的特點是不要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內已有16位的絕對編碼器產品。

三、編碼器工作原理

由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環形通、暗的刻線，有光電發射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩定信號；另每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。

由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，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數量級，塑料碼盤是經濟型的，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稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉分度5~10000線。

四、位置測量及反饋控制原理

在電梯、機床、材料加工、電動機反饋系統以及測量和控制設備中，編碼器占領著極其重要的地位。編碼器運用光柵和紅外光源通過接收器將光信號轉換成TTL（HTL）的電信號，通過對TTL電平頻率和高電平個數的分析，直觀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。

五、總結

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，它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。而我們生活中常見的電梯、機床都剛好是基于電機的精確調節，通過電信號的反饋閉環控制，編碼器配合變頻器也就理所當然的實現了精確控制。

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