精确测量电机位置 编码器是如何做到的？

生活中经常使用的电梯是如何精确的把人们送到指定楼层的?机床又是如何做到精确切割物料的?伺服电机又是如何保证旋转位置精度的?这一切都要归功于一种神器——编码器，可是编码器又是什么?他又是如何精确的测量电机位置的呢?今天就来聊一聊编码器。

一、什么是编码器

编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。他是工业中常用的电机定位设备，可以精确的测试电机的角位移和旋转位置。

图 1 编码器

二、编码器分类

按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

增量式

增量式编码器通常有3个输出口，分别为A相、B相、Z相输出，A相与B相之间相互延迟1/4周期的脉冲输出，根据延迟关系可以区别正反转，而且通过取A相、B相的上升和下降沿可以进行2或4倍频;Z相为单圈脉冲，即每圈发出一个脉冲。

增量测量法的光栅由周期性栅条组成。位置信息通过计算自某点开始的增量数(测量步距数)获得。由于必须用绝对参考点确定位置值，因此圆光栅码盘还有一个参考点轨。

绝对式

绝对式编码器就是对应一圈，每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。

编码器通电时就可立即得到位置值并随时供后续信号处理电子电路读取。无需移动轴执行参考点回零操作。绝对位置信息来自圆光栅码盘，它由一系列绝对码组成。单独的增量刻轨信号通过细分生成位置值，同时也能生成供选用的增量信号。

单圈编码器的绝对位置值信息每转一圈重复一次。多圈编码器也能区分每圈的位置值。

图 2 绝对式旋转编码器的圆盘光栅

它们存着最大的区别：在增量编码器的情况下，位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数确定的。在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的，因此当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。如果电源再次接通，那么位置读数仍是当前的、有效的，不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。

三、编码器工作原理

由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90度相位差(相对于一个周波为360度)，将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号;另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。

图 3 编码器

四、位置测量及反馈控制原理

在电梯、机床、材料加工、电动机反馈系统以及测量和控制设备中，编码器占领着极其重要的地位。编码器运用光栅和红外光源通过接收器将光信号转换成TTL(HTL)的电信号，通过对TTL电平频率和高电平个数的分析，直观地反映出电机的旋转角度和旋转位置。

由于角度和位置都可以精确的测量，所以可以将编码器和变频器组成闭环控制系统，将控制更加精确化，这也是为什么电梯、机床等能这么精确使用的原因所在。

综上所述，我们了解到编码器按结构划分为增量式和绝对式两种，他们也都是将其他信号，比如光信号，转换成可以分析控制的电信号。而我们生活中常见的电梯、机床都刚好是基于电机的精确调节，通过电信号的反馈闭环控制，编码器配合变频器也就理所当然的实现了精确控制。