編碼器的基礎(chǔ)及應(yīng)用

所謂的編碼器有什么作用？

檢測(cè)出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者水平運(yùn)動(dòng)機(jī)械的移動(dòng)方向、移動(dòng)量、角度。

確實(shí)，編碼器只是一個(gè)很小的部件。但是它可能用在大家想都沒(méi)想過(guò)的機(jī)器上。在現(xiàn)在，我們都很清楚編碼器是同電機(jī)結(jié)合使用的。世間有千百萬(wàn)種可能性，編碼器同電機(jī)結(jié)合使用也僅僅是滄海一粟，它還有更多你所意想不到應(yīng)用。

此次我們就講一講“從編碼器的基礎(chǔ)到應(yīng)用”，來(lái)介紹編碼器所隱藏的魅力。這次介紹共分為四個(gè)欄目，第一欄目：粗略介紹編碼器并介紹編碼器應(yīng)用案例。第二以及第三欄目：將詳細(xì)介紹編碼器的工作原理及其特征。雖然是言簡(jiǎn)意賅，但也說(shuō)明幾個(gè)工作原理以及輸出形態(tài)。讓我們對(duì)編碼器能夠有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)，根據(jù)其種類(lèi)清楚優(yōu)缺點(diǎn)，可以容易分辨出其特征。第四欄目：我們回歸到最初的話題，編碼器有什么其他用途。介紹編碼器的實(shí)際應(yīng)用案例。

我們身邊的無(wú)名英雄

熟悉運(yùn)動(dòng)控制的各位對(duì)編碼器都是耳熟能詳?shù)?。但是?duì)于尚未接觸過(guò)編碼器的人來(lái)說(shuō)，編碼器是比較陌生的。所以小編就以日常生活中我們都乘坐的電梯為例來(lái)介紹編碼器的作用。在介紹之前，我們先想象一下我們坐電梯的過(guò)程。我們按下“△▽”按鈕，不過(guò)一會(huì)電梯便到我們的樓層然后自動(dòng)打開(kāi)門(mén)，隨后我們進(jìn)入電梯。進(jìn)入電梯后，我們按下對(duì)應(yīng)樓層的按鈕。電梯門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，將我們載送至對(duì)應(yīng)樓層，電梯門(mén)又再次打開(kāi)。

在這一連串的過(guò)程背后，其實(shí)有兩個(gè)編碼器發(fā)揮著重要作用。不知道你是否察覺(jué)到了？首先，第一個(gè)編碼器進(jìn)行電機(jī)控制使電梯運(yùn)動(dòng)。因?yàn)殡娞菔峭ㄟ^(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，所以只要清楚旋轉(zhuǎn)方向，就可以判別電梯是上升還是下降。另外，編碼器可以檢測(cè)出電機(jī)的移動(dòng)量（旋轉(zhuǎn)圈數(shù))，這樣一來(lái)便可以清楚電梯究竟移動(dòng)了多少量。通過(guò)電梯控制盤(pán)運(yùn)用這些編碼器提供的信息，可以讓電梯快速且平穩(wěn)地到指定樓層。

另一個(gè)編碼器則是控制電梯門(mén)自動(dòng)開(kāi)閉的電機(jī)。我們經(jīng)?？措娞莸拈_(kāi)閉，就很清楚其背后是有著細(xì)膩而精密的控制。電梯門(mén)打開(kāi)的時(shí)機(jī)，以及最后閉合的時(shí)機(jī)都十分準(zhǔn)確。在電梯門(mén)打開(kāi)的過(guò)程中可以加快電梯門(mén)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)時(shí)間縮短。通過(guò)編碼器正確把握電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并加以控制，就可以實(shí)現(xiàn)絲一般柔順的動(dòng)作。

當(dāng)初電梯出現(xiàn)在人們視野的時(shí)候，編碼器尚未普及。上述的編碼器工作全部由人來(lái)完成。當(dāng)初還沒(méi)有“△▽”按鈕，都是用鈴聲。我們看民國(guó)時(shí)期的電影可能就能見(jiàn)到這一幕，上海灘大佬進(jìn)入電梯，電梯中的服務(wù)生根據(jù)鈴聲拉下閘門(mén)，讓電梯抵達(dá)對(duì)應(yīng)樓層。但是在現(xiàn)在，由于測(cè)定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向以及轉(zhuǎn)數(shù)量的編碼器的應(yīng)用，電梯變得越來(lái)越便利再也不用像之前一樣用人工來(lái)操作了。

編碼器的結(jié)構(gòu)是什么？

那么如何使用編碼器才能知道“旋轉(zhuǎn)方向”，“旋轉(zhuǎn)位置”，“旋轉(zhuǎn)速度”呢？本次就用透光型編碼器做一個(gè)簡(jiǎn)要說(shuō)明。透光型編碼器主要由四部分結(jié)構(gòu)構(gòu)成——①LED發(fā)光素子；②透鏡；③碼盤(pán)；④受光IC。

首先LED發(fā)光素子的光是錯(cuò)亂光。通過(guò)透鏡將光集中在一起并轉(zhuǎn)化成平行光。碼盤(pán)上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔（有通光也有不通光）。射到受光IC上的發(fā)光二極管等電子元件上，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電子部進(jìn)行處理，最后輸出“A相”，“B相”兩種方波。

A相同B相的相位關(guān)系是世界通用的，B相同A相相差1/4周期輸出。通過(guò)處理A相與B相這兩種編碼器輸出，就能夠清楚電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，旋轉(zhuǎn)位置以及旋轉(zhuǎn)速度。那么下面我們就講講如何將他們檢測(cè)出來(lái)的。

旋轉(zhuǎn)方向的檢測(cè)

通過(guò)檢測(cè)A，B相的出現(xiàn)先后順序，可以判別旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向。比如說(shuō)編碼器碼盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，B相會(huì)比A相晚出現(xiàn)。如果碼盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，B相就會(huì)先于A相出現(xiàn)。這樣的結(jié)構(gòu)不單單可以用來(lái)判別旋轉(zhuǎn)方向可以用來(lái)判別水平驅(qū)動(dòng)時(shí)的移動(dòng)方向。

旋轉(zhuǎn)位置的檢測(cè)

碼盤(pán)（光柵盤(pán)）是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。在這里我們家測(cè)一周有360個(gè)長(zhǎng)方形孔。因?yàn)槊總€(gè)長(zhǎng)方形孔輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，所以可以檢測(cè)出每個(gè)脈沖相同于一度的旋轉(zhuǎn)位置。如果1周有3600個(gè)長(zhǎng)方形孔的話，同理可以檢測(cè)出0.1度的角度。

旋轉(zhuǎn)速度的檢測(cè)

測(cè)出編碼器輸出的脈沖頻率和編碼器分辨率，再根據(jù)下方公式很容易就能算出編碼器的速度。

轉(zhuǎn)速（r/min）=（脈沖頻率/分辨率）*60

靈活運(yùn)用編碼器就可以控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)位置、旋轉(zhuǎn)速度。還是用之前提到的電梯那個(gè)例子，如圖4微處理器發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，安裝在電機(jī)軸上的編碼器輸出信號(hào)。之后用編碼器計(jì)數(shù)器處理編碼器輸出，同微處理器的控制信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)比較。通過(guò)比較驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制信號(hào)和電機(jī)旋轉(zhuǎn)的結(jié)果，只向電機(jī)提供目標(biāo)轉(zhuǎn)數(shù)所需要的電量。在這種封閉結(jié)構(gòu)中進(jìn)行比較演算的形態(tài)，我們稱(chēng)之為閉合回路（閉環(huán)）。

實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)行

講到這里想必大家對(duì)編碼器的運(yùn)行已經(jīng)有了大致了解。那么現(xiàn)在我們回歸到編碼器的其他應(yīng)用上。

如果有人問(wèn)你編碼器是干什么的啊？最簡(jiǎn)單的答案就是測(cè)出旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)物體的移動(dòng)方向、移動(dòng)量、角度。因此一般情況下提及編碼器的應(yīng)用，我們可以舉出用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器。

不過(guò)這樣說(shuō)的話，似乎范圍太過(guò)廣泛了。換個(gè)更加精準(zhǔn)的說(shuō)法，高精度運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備。像電風(fēng)扇這種家電，用無(wú)刷電機(jī)也不會(huì)有什么問(wèn)題，也就沒(méi)有必要使用編碼。與此相反，工業(yè)機(jī)器人、AGV、模組等各種工業(yè)設(shè)備，由于高精度運(yùn)作的要求，編碼器在這些設(shè)備被廣泛應(yīng)用。

除此之外，文章開(kāi)頭介紹的電梯，對(duì)自身運(yùn)動(dòng)有著高要求的設(shè)備也會(huì)用到編碼器。近些年在混合動(dòng)力汽車(chē)以及電動(dòng)汽車(chē)上，編碼器的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

有電機(jī)的地方就有編碼器

有沒(méi)有意識(shí)到目前所介紹的編碼器應(yīng)用全部都跟電有關(guān)？進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或水平運(yùn)動(dòng)，除了用電作為動(dòng)力源的電機(jī)驅(qū)動(dòng)之外，用油壓、氣壓作為驅(qū)動(dòng)方式也是有的。但是這些油壓和氣壓裝置，基本上沒(méi)有使用編碼器。

為什么呢？首先，電機(jī)的話通過(guò)電源開(kāi)關(guān)的控制，可以馬上開(kāi)啟或停止運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制電機(jī)電壓和頻率，可以輕易改變轉(zhuǎn)數(shù)。因?yàn)檫@些動(dòng)作都有著高應(yīng)答，通過(guò)編碼器可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行高精度且迅速的控制。

用油壓作為動(dòng)力源的話，油壓上升是需要時(shí)間的（例如螺旋槳），也就無(wú)法像電機(jī)那樣用編碼器進(jìn)行控制。不單單是螺旋槳開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，如果要改變轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，螺旋槳無(wú)法馬上響應(yīng)，只能夠慢慢變化。這是由于驅(qū)動(dòng)螺旋槳運(yùn)動(dòng)的油壓受油的黏性、管道阻力所限制。油壓的變化以及螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)滯后，使得用編碼器測(cè)定轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行控制變得異常困難。氣壓設(shè)備同理。

現(xiàn)在小編就將編碼器的使用案例分為兩類(lèi)同大家分享。

“現(xiàn)在之前的使用案例”，“最近才有的使用案例”

現(xiàn)在之前的應(yīng)用案例

與步進(jìn)電機(jī)組合“檢測(cè)丟步”

步進(jìn)電機(jī)向繞組輸入脈沖電流，旋轉(zhuǎn)脈沖對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)角度。因此，即便沒(méi)有反饋控制，基本上電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角度，控制器都可以識(shí)別的。但是如果發(fā)生什么故障的話，用脈沖電流無(wú)法運(yùn)動(dòng)，控制器同實(shí)際運(yùn)動(dòng)之間就有存在誤差。如果應(yīng)用場(chǎng)合需求高精度，誤差發(fā)生時(shí)，為了檢測(cè)出誤差并用驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行求證，就需要搭載編碼器。

工作平臺(tái)X-Y驅(qū)動(dòng)臺(tái)的位置檢測(cè)

對(duì)搭載工件的驅(qū)動(dòng)臺(tái)進(jìn)行X軸-Y軸（水平方向）的移動(dòng)控制會(huì)使用到編碼器。例如，NC銑刀盤(pán)和放電加工機(jī)，它們往往要求幾μm--十幾μm的精度。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，編碼器往往要達(dá)到需求精度十倍。編碼器的使用環(huán)境如果是切削加工的話，會(huì)受到切削粉、切削油、振動(dòng)影響，如果使用環(huán)境是放電加工的話，會(huì)受到電波干擾。在這種嚴(yán)峻的使用環(huán)境中，對(duì)編碼器分辨率的要求是極高的。

噴墨打印機(jī)的印刷控制

噴墨打印機(jī)的墨頭動(dòng)作控制也會(huì)用到編碼器。“藍(lán)色”、“深紅色”、“黑色”等顏色，在什么時(shí)候印刷，這種控制信號(hào)由編碼器產(chǎn)生。另外水平方向的印刷結(jié)束后，移動(dòng)紙張印刷其他區(qū)域，這個(gè)時(shí)候也是用編碼器控制旋轉(zhuǎn)筒移動(dòng)紙張。

最近才有的應(yīng)用案例

步進(jìn)電機(jī)的降低功耗

現(xiàn)在的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一般都是用最大電流進(jìn)行運(yùn)行。這是為了防止之前提到的“丟步”。另外，為了防止停止時(shí)讓電機(jī)隨意旋轉(zhuǎn)，需用勵(lì)磁電流。因此不管電機(jī)動(dòng)與不動(dòng)都需要通電，所以很難實(shí)現(xiàn)低能耗。

裝上編碼器，不僅可以監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行時(shí)丟步情況，更可以監(jiān)視編碼器提供的電機(jī)負(fù)荷反饋信號(hào)，這樣一來(lái)便使只提供需要的電流成為可能。另外，電機(jī)停止時(shí)，通過(guò)監(jiān)視編碼器信號(hào)，可以做到削減整體消費(fèi)電流。

工業(yè)閥門(mén)旋轉(zhuǎn)部分的控制

各種配管都會(huì)配備閥門(mén)。也會(huì)有用電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行閥門(mén)旋轉(zhuǎn)控制的產(chǎn)品。但是受使用環(huán)境的影響，光學(xué)式的編碼器是無(wú)法采用的。但是，磁編比光編更適應(yīng)惡劣環(huán)境，體積小更容易安裝。因此適用于工業(yè)閥門(mén)。

這里講的編碼器應(yīng)用都是同電機(jī)相結(jié)合的應(yīng)用，現(xiàn)在廣泛使用的油壓以及氣壓設(shè)備并不會(huì)消失。但是越來(lái)越多的領(lǐng)域開(kāi)始將電機(jī)作為首選。眾所周知油壓與氣壓的優(yōu)勢(shì)在于能夠提供強(qiáng)大的動(dòng)力，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，采用電機(jī)也變得越來(lái)越多。這樣一來(lái)，編碼器的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。