從步進(jìn)電機(jī)到智能系統(tǒng)，編碼器究竟如何選擇？

從步進(jìn)電機(jī)到智能系統(tǒng)，編碼器究竟如何選擇？

編碼器作為一種轉(zhuǎn)換信號的器件，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車模的瞬時速度，實(shí)現(xiàn)對車模速度的閉環(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)鏡對恒星進(jìn)行追蹤時，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。不過此時對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，可以說編碼器無處不在。

圖片來源：OFweek維科網(wǎng)

那到底什么是編碼器呢？

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

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

編碼器根據(jù)刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對值、混合式。

增量式和絕對式較為常見，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式做一個對比，讓用戶在將來選擇時，能做出一個更好的選擇。

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，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。

拿倒水來形容，增量式編碼器好比，找一個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)來計(jì)算距離。

從構(gòu)造上來看，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，分別組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差，四組相差360度（即一個周波）。將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，從而起到增強(qiáng)穩(wěn)定信號的作用;另外，每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。

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

通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。通過零位參考位和脈沖數(shù)量來計(jì)算距離和角度等參量。

2、 絕對式編碼器的工作原理

絕對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位置。由于每一個位置都不一樣，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)。

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

從結(jié)構(gòu)上來看，絕對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位置，都可以通過讀取每道刻線的通、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，因而不會受到停電、外界干擾的影響，這也是絕對式編碼器的優(yōu)良特性之一。

由于這一特性，絕對式編碼器無需記憶，無需找零參考點(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。

基于絕對式編碼器的構(gòu)造，它一定會面臨著一個問題：計(jì)數(shù)計(jì)到最大值。

為了解決這個問題，從而出現(xiàn)了多圈絕對式編碼器。

針對多圈絕對式編碼器，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)械齒輪耦合多個軸，用來計(jì)算總的圈數(shù)。

拿倒水舉例子，也就是之前提到的那個有刻度的杯子，當(dāng)這個杯子倒?jié)M了時，再找一個有刻度的、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，來計(jì)算總共轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。

圖片來源：OFweek維科網(wǎng)

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

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

至于構(gòu)成多圈絕對值編碼器的方案，在這里不多過描述，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)生了兩個非常大的區(qū)別：

1、 通斷電記憶不同

增量式編碼器沒有記憶，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，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。這使得絕對式編碼器不會在過程中受到干擾，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，絕對式編碼器和增量式編碼器還有很多細(xì)小的區(qū)別：

1、 輸出信號不同

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

2、 計(jì)數(shù)量受限不同

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

3、 應(yīng)用領(lǐng)域不完全相同

有無斷點(diǎn)記憶使得增量式編碼器和絕對式編碼器在應(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)動方向，而絕對式編碼器由于其特性在工控定位領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。

4、價格不一樣

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

有了二者的區(qū)別，我們再來看看要選擇編碼器的時候，需要注意哪些要素：

1、 是否需要斷電保持

如果是需要持續(xù)性檢查的場合就必須使用絕對式編碼器。

2、 需要的測量精度

相對而言，絕對式編碼器的精度比增量式編碼器的精度會更高一些。

3、分辨率

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

4、需要的最大速度

編碼器的測速方法分為三類：T法、N法和M/T法。

一般來講，T法在低速區(qū)測速效果最好，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，其測速精度也有優(yōu)于另外兩種。

5、 需要的碼盤材質(zhì)

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(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題，他們會給出很好的建議。屆時，就可以根據(jù)自己的了解去考慮他們的建議了。

END