你真的了解編碼器嗎？

 

所謂的編碼器有什么作用？

檢測出旋轉(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想過的機(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。雖然是言簡意賅，但也說明幾個(gè)工作原理以及輸出形態(tài)。讓我們對編碼器能夠有一個(gè)整體認(rèn)識，根據(jù)其種類清楚優(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。

我們身邊的無名英雄

 

熟悉運(yùn)動(dòng)控制的各位對編碼器都是耳熟能詳?shù)摹５�是對于尚未接觸過編碼器的人來說，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程。我們按下“△▽”按鈕，不過一會(huì)電梯便到我們的樓層然后自動(dòng)打開門，隨后我們進(jìn)入電梯。進(jìn)入電梯后，我們按下對應(yīng)樓層的按鈕。電梯門自動(dòng)關(guān)閉，將我們載送至對應(yīng)樓層，電梯門又再次打開。

在這一連串的過程背后，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^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，編碼器可以檢測出電機(jī)的移動(dòng)量（旋轉(zhuǎn)圈數(shù))，這樣一來便可以清楚電梯究竟移動(dòng)了多少量。通過電梯控制盤運(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自動(dòng)開閉的電機(jī)。我們經(jīng)常看電梯的開閉，就很清楚其背后是有著細(xì)膩而精密的控制。電梯門打開的時(shí)機(jī)，以及最后閉合的時(shí)機(jī)都十分準(zhǔn)確。在電梯門打開的過程中可以加快電梯門運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)時(shí)間縮短。通過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完成。當(dāng)初還沒有“△▽”按鈕，都是用鈴聲。我們看民國時(shí)期的電影可能就能見到這一幕，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，讓電梯抵達(dá)對應(yīng)樓層。但是在現(xiàn)在，由于測定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向以及轉(zhuǎn)數(shù)量的編碼器的應(yīng)用，電梯變得越來越便利再也不用像之前一樣用人工來操作了。

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)簡要說明。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；④受光IC。

 

首先LED發(fā)光素子的光是錯(cuò)亂光。通過透鏡將光集中在一起并轉(zhuǎn)化成平行光。碼盤上等分地開通若干個(gè)長方形孔（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，通過信號轉(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出來的。

 

旋轉(zhuǎn)方向的檢測

通過檢測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。比如說編碼器碼盤順時(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)不單單可以用來判別旋轉(zhuǎn)方向可以用來判別水平驅(qū)動(dòng)時(shí)的移動(dòng)方向。

旋轉(zhuǎn)位置的檢測

碼盤（光柵盤）是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。在這里我們家測一周有360個(gè)長方形孔。因?yàn)槊總�(gè)長方形孔輸出一個(gè)脈沖信號，所以可以檢測出每個(gè)脈沖相同于一度的旋轉(zhuǎn)位置。如果1周有3600個(gè)長方形孔的話，同理可以檢測出0.1度的角度。

旋轉(zhuǎn)速度的檢測

測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)出控制信號驅(qū)動(dòng)電機(jī)，安裝在電機(jī)軸上的編碼器輸出信號。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進(jìn)行差動(dòng)比較。通過比較驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制信號和電機(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。

如果有人問你編碼器是干什么的啊？最簡單的答案就是測出旋轉(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。

不過這樣說的話，似乎范圍太過廣泛了。換個(gè)更加精準(zhǔn)的說法，高精度運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備。像電風(fēng)扇這種家電，用無刷電機(jī)也不會(huì)有什么問題，也就沒有必要使用編碼。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，文章開頭介紹的電梯，對自身運(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)力汽車以及電動(dòng)汽車上，編碼器的應(yīng)用也越來越廣泛。

有電機(jī)的地方就有編碼器

有沒有意識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，基本上沒有使用編碼器。

為什么呢？首先，電機(jī)的話通過電源開關(guān)的控制，可以馬上開啟或停止運(yùn)動(dòng)。通過控制電機(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，通過編碼器可以對電機(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），也就無法像電機(jī)那樣用編碼器進(jìn)行控制。不單單是螺旋槳開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，如果要改變轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，螺旋槳無法馬上響應(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“檢測丟步”

步進(jìn)電機(jī)向繞組輸入脈沖電流，旋轉(zhuǎn)脈沖對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)角度。因此，即便沒有反饋控制，基本上電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角度，控制器都可以識別的。但是如果發(fā)生什么故障的話，用脈沖電流無法運(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)用場合需求高精度，誤差發(fā)生時(shí)，為了檢測出誤差并用驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行求證，就需要搭載編碼器。

工作平臺X-Y驅(qū)動(dòng)臺的位置檢測

對搭載工件的驅(qū)動(dòng)臺進(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，這樣一來便使只提供需要的電流成為可能。另外，電機(jī)停止時(shí)，通過監(jiān)視編碼器信號，可以做到削減整體消費(fèi)電流。

工業(yè)閥門旋轉(zhuǎn)部分的控制

各種配管都會(huì)配備閥門。也會(huì)有用電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行閥門旋轉(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。

結(jié)束語

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。但是越來越多的領(lǐng)域開始將電機(jī)作為首選。眾所周知油壓與氣壓的優(yōu)勢在于能夠提供強(qiáng)大的動(dòng)力，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，采用電機(jī)也變得越來越多。這樣一來，編碼器的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。