編碼器的基礎及應用

所謂的編碼器有什么作用？

檢測出旋轉運動或者水平運動機械的移動方向、移動量、角度。

確實，編碼器只是一個很小的部件。但是它可能用在大家想都沒想過的機器上。在現在，我們都很清楚編碼器是同電機結合使用的。世間有千百萬種可能性，編碼器同電機結合使用也僅僅是滄海一粟，它還有更多你所意想不到應用。

此次我們就講一講“從編碼器的基礎到應用”，來介紹編碼器所隱藏的魅力。這次介紹共分為四個欄目，第一欄目：粗略介紹編碼器并介紹編碼器應用案例。第二以及第三欄目：將詳細介紹編碼器的工作原理及其特征。雖然是言簡意賅，但也說明幾個工作原理以及輸出形態。讓我們對編碼器能夠有一個整體認識，根據其種類清楚優缺點，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。介紹編碼器的實際應用案例。

我們身邊的無名英雄

熟悉運動控制的各位對編碼器都是耳熟能詳的。但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，不過一會電梯便到我們的樓層然后自動打開門，隨后我們進入電梯。進入電梯后，我們按下對應樓層的按鈕。電梯門自動關閉，將我們載送至對應樓層，電梯門又再次打開。

在這一連串的過程背后，其實有兩個編碼器發揮著重要作用。不知道你是否察覺到了？首先，第一個編碼器進行電機控制使電梯運動。因為電梯是通過電機旋轉進行上下運動，所以只要清楚旋轉方向，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的移動量（旋轉圈數)，這樣一來便可以清楚電梯究竟移動了多少量。通過電梯控制盤運用這些編碼器提供的信息，可以讓電梯快速且平穩地到指定樓層。

另一個編碼器則是控制電梯門自動開閉的電機。我們經常看電梯的開閉，就很清楚其背后是有著細膩而精密的控制。電梯門打開的時機，以及最后閉合的時機都十分準確。在電梯門打開的過程中可以加快電梯門運行，實現時間縮短。通過編碼器正確把握電機運動，并加以控制，就可以實現絲一般柔順的動作。

當初電梯出現在人們視野的時候，編碼器尚未普及。上述的編碼器工作全部由人來完成。當初還沒有“△▽”按鈕，都是用鈴聲。我們看民國時期的電影可能就能見到這一幕，上海灘大佬進入電梯，電梯中的服務生根據鈴聲拉下閘門，讓電梯抵達對應樓層。但是在現在，由于測定電機的旋轉方向以及轉數量的編碼器的應用，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。

編碼器的結構是什么？

那么如何使用編碼器才能知道“旋轉方向”，“旋轉位置”，“旋轉速度”呢？本次就用透光型編碼器做一個簡要說明。透光型編碼器主要由四部分結構構成——①LED發光素子；②透鏡；③碼盤；④受光IC。

首先LED發光素子的光是錯亂光。通過透鏡將光集中在一起并轉化成平行光。碼盤上等分地開通若干個長方形孔（有通光也有不通光）。射到受光IC上的發光二極管等電子元件上，通過信號轉換電子部進行處理，最后輸出“A相”，“B相”兩種方波。

A相同B相的相位關系是世界通用的，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，就能夠清楚電機的旋轉方向，旋轉位置以及旋轉速度。那么下面我們就講講如何將他們檢測出來的。

旋轉方向的檢測

通過檢測A，B相的出現先后順序，可以判別旋轉軸的旋轉方向。比如說編碼器碼盤順時針旋轉的時候，B相會比A相晚出現。如果碼盤逆時針旋轉時，B相就會先于A相出現。這樣的結構不單單可以用來判別旋轉方向可以用來判別水平驅動時的移動方向。

旋轉位置的檢測

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

旋轉速度的檢測

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

轉速（r/min）=（脈沖頻率/分辨率）*60

靈活運用編碼器就可以控制電機的旋轉方向、旋轉位置、旋轉速度。還是用之前提到的電梯那個例子，如圖4微處理器發出控制信號驅動電機，安裝在電機軸上的編碼器輸出信號。之后用編碼器計數器處理編碼器輸出，同微處理器的控制信號進行差動比較。通過比較驅動電機的控制信號和電機旋轉的結果，只向電機提供目標轉數所需要的電量。在這種封閉結構中進行比較演算的形態，我們稱之為閉合回路（閉環）。

實現高精度運行

講到這里想必大家對編碼器的運行已經有了大致了解。那么現在我們回歸到編碼器的其他應用上。

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或移動物體的移動方向、移動量、角度。因此一般情況下提及編碼器的應用，我們可以舉出用電機驅動的機器。

不過這樣說的話，似乎范圍太過廣泛了。換個更加精準的說法，高精度運行的機械設備。像電風扇這種家電，用無刷電機也不會有什么問題，也就沒有必要使用編碼。與此相反，工業機器人、AGV、模組等各種工業設備，由于高精度運作的要求，編碼器在這些設備被廣泛應用。

除此之外，文章開頭介紹的電梯，對自身運動有著高要求的設備也會用到編碼器。近些年在混合動力汽車以及電動汽車上，編碼器的應用也越來越廣泛。

有電機的地方就有編碼器

有沒有意識到目前所介紹的編碼器應用全部都跟電有關？進行旋轉或水平運動，除了用電作為動力源的電機驅動之外，用油壓、氣壓作為驅動方式也是有的。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，電機的話通過電源開關的控制，可以馬上開啟或停止運動。通過控制電機電壓和頻率，可以輕易改變轉數。因為這些動作都有著高應答，通過編碼器可以對電機進行高精度且迅速的控制。

用油壓作為動力源的話，油壓上升是需要時間的（例如螺旋槳），也就無法像電機那樣用編碼器進行控制。不單單是螺旋槳開始運動的時候，如果要改變轉數時，螺旋槳無法馬上響應，只能夠慢慢變化。這是由于驅動螺旋槳運動的油壓受油的黏性、管道阻力所限制。油壓的變化以及螺旋槳轉數滯后，使得用編碼器測定轉數進行控制變得異常困難。氣壓設備同理。

現在小編就將編碼器的使用案例分為兩類同大家分享。

“現在之前的使用案例”，“最近才有的使用案例”

現在之前的應用案例

與步進電機組合“檢測丟步”

步進電機向繞組輸入脈沖電流，旋轉脈沖對應的運動角度。因此，即便沒有反饋控制，基本上電機的旋轉方向和旋轉角度，控制器都可以識別的。但是如果發生什么故障的話，用脈沖電流無法運動，控制器同實際運動之間就有存在誤差。如果應用場合需求高精度，誤差發生時，為了檢測出誤差并用驅動器進行求證，就需要搭載編碼器。

工作平臺X-Y驅動臺的位置檢測

對搭載工件的驅動臺進行X軸-Y軸（水平方向）的移動控制會使用到編碼器。例如，NC銑刀盤和放電加工機，它們往往要求幾μm--十幾μm的精度。為了實現這一點，編碼器往往要達到需求精度十倍。編碼器的使用環境如果是切削加工的話，會受到切削粉、切削油、振動影響，如果使用環境是放電加工的話，會受到電波干擾。在這種嚴峻的使用環境中，對編碼器分辨率的要求是極高的。

噴墨打印機的印刷控制

噴墨打印機的墨頭動作控制也會用到編碼器。“藍色”、“深紅色”、“黑色”等顏色，在什么時候印刷，這種控制信號由編碼器產生。另外水平方向的印刷結束后，移動紙張印刷其他區域，這個時候也是用編碼器控制旋轉筒移動紙張。

最近才有的應用案例

步進電機的降低功耗

現在的步進電機運行一般都是用最大電流進行運行。這是為了防止之前提到的“丟步”。另外，為了防止停止時讓電機隨意旋轉，需用勵磁電流。因此不管電機動與不動都需要通電，所以很難實現低能耗。

裝上編碼器，不僅可以監控電機運行時丟步情況，更可以監視編碼器提供的電機負荷反饋信號，這樣一來便使只提供需要的電流成為可能。另外，電機停止時，通過監視編碼器信號，可以做到削減整體消費電流。

工業閥門旋轉部分的控制

各種配管都會配備閥門。也會有用電機驅動進行閥門旋轉控制的產品。但是受使用環境的影響，光學式的編碼器是無法采用的。但是，磁編比光編更適應惡劣環境，體積小更容易安裝。因此適用于工業閥門。

這里講的編碼器應用都是同電機相結合的應用，現在廣泛使用的油壓以及氣壓設備并不會消失。但是越來越多的領域開始將電機作為首選。眾所周知油壓與氣壓的優勢在于能夠提供強大的動力，但是隨著技術的進步，采用電機也變得越來越多。這樣一來，編碼器的應用也會越來越廣泛。