淺析編碼器的選擇

編碼器作為一種轉(zhuǎn)換信號(hào)的器件，廣泛應(yīng)用于我們生活的四周。

在智能車比賽中，需要利用編碼器檢測(cè)車模的瞬時(shí)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)車模速度的閉環(huán)反饋控制，從而使得小車的控制板能夠根據(jù)賽道路況的變化而執(zhí)行軟件給定的指令，如加速、減速、轉(zhuǎn)彎等。

在天體探索中，科學(xué)家使用大型天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)恒星進(jìn)行追蹤時(shí)，天文望遠(yuǎn)鏡要達(dá)到一定的速度控制精度，就需要選取合適的編碼器。不過(guò)此時(shí)對(duì)編碼器的要求非常高，比如當(dāng)恒星速度為0.004%，需要分辨率為26位的編碼器才能符合測(cè)速要求。

此外，還有電梯專用型編碼器、機(jī)床專用編碼器、伺服電機(jī)專用型編碼器等等，可以說(shuō)編碼器無(wú)處不在。

從步進(jìn)電機(jī)到智能系統(tǒng)，編碼器究竟如何選擇？

那到底什么是編碼器呢？

按照定義來(lái)看，編碼器是將信號(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。

簡(jiǎn)單理解就是，將人類不能直接理解的信號(hào)轉(zhuǎn)換成我們?nèi)祟惸軌蛑苯永斫獾男盘?hào)，以便于我們對(duì)設(shè)備或器件進(jìn)行支配。

編碼器根據(jù)刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)值、混合式。

增量式和絕對(duì)式較為常見，但區(qū)別二者成為了困擾廣大用戶的難題。

因此，在這里只將增量式和絕對(duì)式做一個(gè)對(duì)比，讓用戶在將來(lái)選擇時(shí)，能做出一個(gè)更好的選擇。

首先，兩者的工作原理各不相同：

1、增量式編碼器的工作原理：

增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。

拿倒水來(lái)形容，增量式編碼器好比，找一個(gè)不知道大小的杯子然后往里面倒水，當(dāng)?shù)節(jié)M一次，就把杯子清空一次，然后再倒水，最后根據(jù)倒?jié)M杯子的次數(shù)來(lái)計(jì)算距離。

從構(gòu)造上來(lái)看，增量式編碼器由連接軸、碼盤、光源和輸出電路等構(gòu)成。其實(shí)，編碼器基本上都是這個(gè)構(gòu)成，下面就不再重復(fù)了。

增量式編碼器由光電發(fā)射器件和接收器件獲得四組正弦波信號(hào)，分別組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差，四組相差360度（即一個(gè)周波）。將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，從而起到增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)的作用;另外，每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。

由于A、B兩相前后相差90度，故可通過(guò)比較A、B兩相哪個(gè)在前來(lái)判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。通過(guò)零位參考位和脈沖數(shù)量來(lái)計(jì)算距離和角度等參量。

2、絕對(duì)式編碼器的工作原理

絕對(duì)式編碼器的碼盤上有許多道刻線，用以編排編碼器上的每一個(gè)位置。由于每一個(gè)位置都不一樣，所以想知道位移大小，只要知道起始位置和終止位置就可以了，不用像增量式編碼器一樣需要一直計(jì)數(shù)。

還是拿倒水來(lái)舉例，絕對(duì)式編碼器好比，找一個(gè)有刻度的、更高的杯子，往里面倒水，最后根據(jù)起始和終止的刻度來(lái)計(jì)算距離。

從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，絕對(duì)式編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排，這樣，在編碼器的任意一個(gè)位置，都可以通過(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次方的唯一的二進(jìn)制編碼(格雷碼)，這也就是n位絕對(duì)編碼器。

這樣的編碼器是由光電碼盤的機(jī)械位置（起、止位置）決定的，因而不會(huì)受到停電、外界干擾的影響，這也是絕對(duì)式編碼器的優(yōu)良特性之一。

由于這一特性，絕對(duì)式編碼器無(wú)需記憶，無(wú)需找零參考點(diǎn)，而且還不用一直計(jì)數(shù)，因此，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

基于絕對(duì)式編碼器的構(gòu)造，它一定會(huì)面臨著一個(gè)問(wèn)題：計(jì)數(shù)計(jì)到最大值。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，從而出現(xiàn)了多圈絕對(duì)式編碼器。

針對(duì)多圈絕對(duì)式編碼器，常見的有以下三種設(shè)計(jì)方案：

第一種，在編碼器內(nèi)部，用機(jī)械齒輪耦合多個(gè)軸，用來(lái)計(jì)算總的圈數(shù)。

拿倒水舉例子，也就是之前提到的那個(gè)有刻度的杯子，當(dāng)這個(gè)杯子倒?jié)M了時(shí)，再找一個(gè)有刻度的、更大的杯子，把小杯子里的水倒進(jìn)大杯子里，最后大小杯子相加計(jì)算距離。

第二種，就是用電子計(jì)數(shù)器和電容器，來(lái)計(jì)算總共轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。

從步進(jìn)電機(jī)到智能系統(tǒng)，編碼器究竟如何選擇？

還是拿倒水舉例子，這一次當(dāng)有刻度的杯子倒?jié)M了時(shí)，把水倒出來(lái)，同時(shí)使用計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)量倒?jié)M的次數(shù)，最后通過(guò)計(jì)數(shù)器和杯子相加來(lái)計(jì)算距離。

第三種，在一些磁編碼器中，采用韋根金線，并利用韋根效應(yīng)來(lái)計(jì)數(shù)。

以上的三種方法都需要付出一定的代價(jià)，比如說(shuō)第一種，因?yàn)橛玫搅藱C(jī)械齒輪，所以會(huì)給編碼器帶來(lái)磨損，使得精度降低。

至于構(gòu)成多圈絕對(duì)值編碼器的方案，在這里不多過(guò)描述，感興趣的朋友可以去查閱相關(guān)資料。

兩者因?yàn)楣ぷ髟砗蜋C(jī)械構(gòu)成不同，產(chǎn)生了兩個(gè)非常大的區(qū)別：

1、通斷電記憶不同

增量式編碼器沒(méi)有記憶，斷電重啟必須回到參考零位，才能找到需要的位置，每次通斷電都要重新開始。

最常見的增量式編碼器就是打印機(jī)掃描儀的定位，每次打印機(jī)開機(jī)時(shí)，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，其實(shí)這是打印機(jī)在尋找參考零點(diǎn)，在這之后才能工作。

而絕對(duì)式編碼器有記憶，斷電重啟不用回到零位，即可知道目標(biāo)所在的位置。這使得絕對(duì)式編碼器不會(huì)在過(guò)程中受到干擾，其抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高。

2、碼盤不同

由于兩者的計(jì)數(shù)方式不相同，因此兩者的碼盤也相差極大。

碼盤的不同，是絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器的最大區(qū)別之一。

除以上區(qū)別外，絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器還有很多細(xì)小的區(qū)別：

3、輸出信號(hào)不同

增量式編碼器輸出的是脈沖信號(hào)，而絕對(duì)式編碼器輸出的是一組二進(jìn)制的數(shù)值。

4、計(jì)數(shù)量受限不同

增量式編碼器的轉(zhuǎn)數(shù)不受限制，而絕對(duì)式編碼器不能超過(guò)轉(zhuǎn)數(shù)的量程。

5、應(yīng)用領(lǐng)域不完全相同

有無(wú)斷點(diǎn)記憶使得增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器在應(yīng)用領(lǐng)域上有很大的不同，增量式編碼器更適合用于確定速度，距離或運(yùn)動(dòng)方向，而絕對(duì)式編碼器由于其特性在工控定位領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

6、價(jià)格不一樣

由于絕對(duì)式編碼器的優(yōu)良特質(zhì)，在價(jià)格上比增量式編碼器要高出一些。

有了二者的區(qū)別，我們?cè)賮?lái)看看要選擇編碼器的時(shí)候，需要注意哪些要素：

是否需要斷電保持

如果是需要持續(xù)性檢查的場(chǎng)合就必須使用絕對(duì)式編碼器。

需要的測(cè)量精度

相對(duì)而言，絕對(duì)式編碼器的精度比增量式編碼器的精度會(huì)更高一些。

分辨率

編碼器的分辨率，即電機(jī)轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)。分辨率的高低是影響測(cè)速效果最為關(guān)鍵的因素之一。

需要的最大速度

編碼器的測(cè)速方法分為三類：T法、N法和M/T法。

一般來(lái)講，T法在低速區(qū)測(cè)速效果最好，M法在高速區(qū)優(yōu)于T法。M/T法雖然實(shí)現(xiàn)的方法比M和T法都要高很多，但在大多數(shù)情況下，其測(cè)速精度也有優(yōu)于另外兩種。

需要的碼盤材質(zhì)

編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料。

從步進(jìn)電機(jī)到智能系統(tǒng)，編碼器究竟如何選擇？

玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)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，精度可能會(huì)受到影響，其熱穩(wěn)定性也要比玻璃的差很多。

塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。

編碼器的選擇除了以上列舉的因素外，還要很多其他的因素，具體的要基于使用的場(chǎng)合及環(huán)境做出選擇。

最好的選擇方法肯定是直接和生產(chǎn)廠商進(jìn)行溝通，向他們傳達(dá)自己的需要以及自己顧慮的問(wèn)題，他們會(huì)給出很好的建議。屆時(shí)，就可以根據(jù)自己的了解去考慮他們的建議了。