編碼器原理與應(yīng)用分析

趙映川

摘 要：編碼器是將被測機(jī)械量（如角度、長度等）轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可用的數(shù)字量的重要工具。在機(jī)電及自動(dòng)化系統(tǒng)中，編碼器在自動(dòng)控制及自動(dòng)測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其具有機(jī)構(gòu)緊湊、重量輕、安裝方便、易維護(hù)等特點(diǎn)，而且精度高、反應(yīng)快、工作可靠。文章具體闡述了編碼器的工作原理及應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了其未來發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：編碼器；原理；應(yīng)用

1 編碼器原理概述

編碼器是將信號(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用于通信、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。以其高精度、高分辨力、高可靠性被廣泛應(yīng)用于各種位移測量。按照編碼器工作原理，可分為光電式、電磁式、電感式和電容式編碼器[1]。

1.1 光電編碼器

光電編碼器是目前應(yīng)用最多的一種。它是通過光電轉(zhuǎn)換將機(jī)械量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由圓形碼盤和光電檢測裝置組成。碼盤上刻有環(huán)形透光和不透光的等間距狹縫，叫作碼道。旋轉(zhuǎn)軸與碼盤同軸同速旋轉(zhuǎn)，檢測裝置由發(fā)光二極管等電子元件組成，透過狹縫的脈沖信號(hào)經(jīng)檢測裝置進(jìn)行輸出，當(dāng)前旋轉(zhuǎn)軸的角度信息可以通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)來反映[2]。

光電編碼器原理如圖1所示。

光電編碼器的分類有兩種，一種為增量式光電編碼器，一種是絕對(duì)式光電編碼器。

1.1.1 增量式光電編碼器

增量式光電編碼器是將一系列脈沖通過附加電路處理得到數(shù)字量的編碼器。光電編碼器的碼盤一般多用玻璃材料制成，玻璃表面鍍上一層不透光的金屬薄膜，然后在薄膜上刻制碼道，數(shù)量從幾百條到幾千條不等。這樣整個(gè)碼盤圓周被等分成n個(gè)透光的槽。

增量式光電編碼器分別由碼道輸出A相、B相和Z相三組方波脈沖，這個(gè)過程利用了光電轉(zhuǎn)換原理；A、B相用于判斷碼盤的旋轉(zhuǎn)方向，其脈沖數(shù)相同、相位差90度，而Z相則用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位，碼盤每一轉(zhuǎn)發(fā)出一個(gè)脈沖[3]。增量式光電編碼器的碼盤和信號(hào)輸出如圖2所示。

1.1.2 絕對(duì)式光電編碼器

絕對(duì)式編碼器是直接輸出數(shù)字量的編碼器。它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)組成，碼盤上的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)是其碼道數(shù)，相鄰兩個(gè)碼道之間的扇區(qū)數(shù)目是二倍關(guān)系，光源在碼盤的一側(cè)，光敏元件在碼盤的另一側(cè)；碼盤不同位置的光敏元件根據(jù)是否收到光照轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

這種編碼器的特點(diǎn)是在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。一個(gè)編碼器如果具有N位二進(jìn)制分辨率，其碼盤就一定要有N條碼道，碼道數(shù)量和分辨率成正比。因此，絕對(duì)式編碼器的精度取決于碼道的位數(shù)。圖3中（a）是編碼器主要結(jié)構(gòu)的圖示，（b）是二進(jìn)制碼和格雷碼碼盤的圖示。

由于輸出的是二進(jìn)制數(shù)字碼，絕對(duì)式編碼器可與計(jì)算機(jī)直接連接而不需要其他數(shù)字轉(zhuǎn)換設(shè)備。

碼盤上透光、不透光的線條圖形是絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器的不同之處。在相同的精度下，增量式編碼器的碼盤尺寸要比絕對(duì)式編碼器的小。增量式編碼器由于不能顯示角度坐標(biāo)的絕對(duì)位置，因此，每次啟動(dòng)都要?dú)w零。絕對(duì)式編碼器可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值，并且電源切除后信息不會(huì)丟失[4]。

1.2 電磁編碼器

電磁編碼器主要由磁阻傳感器（霍爾原件）、充磁磁鼓（碼盤）、信號(hào)處理電路組成。其工作原理是利用磁阻或霍爾元件檢測角度和位移的變化。

因此，電磁編碼器電路的輸出信號(hào)和碼盤的旋轉(zhuǎn)是緊密相連的。通過測定輸出信號(hào)的周期數(shù)或周期時(shí)間就可知道磁鼓的位置和旋轉(zhuǎn)速度。電磁旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

電磁式編碼器隨著光電式編碼器的發(fā)展而發(fā)展起來。光電式編碼器容易受到潮濕氣體和污染的影響。與之相比，電磁式編碼器是一種以磁敏感元件為基礎(chǔ)的檢測裝置，而且將多個(gè)元件精確地排列組合，構(gòu)成具有新功能和多功能的器件，使其具有體積小、轉(zhuǎn)速高、成本低、抗干擾、抗沖擊、抗振動(dòng)、不易受油污、水氣等外界因素影響的特點(diǎn)。因此，在工業(yè)生產(chǎn)、自動(dòng)化控制方面的應(yīng)用不斷擴(kuò)大[5]。

1.3 電感式編碼器

電感式編碼器是利用電磁感應(yīng)原理測量位移（線位移和角位移）的測量元件，把被測的物理量轉(zhuǎn)換成線圈感應(yīng)系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。

電感式編碼器由轉(zhuǎn)子和定子兩個(gè)碼盤組成。碼盤上敷有銅箔，用印刷、腐蝕等方法，在其盤面上刻制出平面形的繞組，繞組呈等間距扇形分布。轉(zhuǎn)子繞組為連續(xù)的扇形分布；定子繞組為分段的扇形分布，每段結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)分段繞組分為兩組，在相位上相差90度，又稱為正弦繞組和余弦繞組。如果連續(xù)繞組上加有激勵(lì)電信號(hào)時(shí)，正弦繞組與余弦繞組將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，電勢(shì)隨轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置變化呈現(xiàn)正弦或余弦的信號(hào)變化，再將變化的信號(hào)檢測出后進(jìn)行處理，就可以測出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的信息[6]。電感式編碼器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

電感式編碼器的工作狀態(tài)僅取決于磁通量的變化率。油污、粉塵、溫度等外界環(huán)境對(duì)它的干擾很小，信號(hào)的測量精度和分辨率高。由于轉(zhuǎn)子與定子間沒有機(jī)械接觸，因而使用壽命較長、抗震、抗沖擊性能好?；谝陨现T多優(yōu)點(diǎn)，電感式編碼器多用于精度要求高的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、慣性導(dǎo)航測試臺(tái)、天文望遠(yuǎn)鏡以及高精度的機(jī)床和電機(jī)設(shè)備[7]。

1.4 容柵式編碼器

容柵式編碼器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上，采用光柵原理設(shè)計(jì)出來的測量裝置。其原理是通過轉(zhuǎn)子與定子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)電場進(jìn)行調(diào)制，并且檢測由此引起的耦合電容的變化來確定轉(zhuǎn)軸的位置。

容柵式編碼器由動(dòng)?xùn)藕挽o柵兩部分組成，都是采用精密印刷制成的電路板。動(dòng)?xùn)派嫌∮邪l(fā)射極、接收極和屏蔽極，靜柵上印有反射極。容柵工作時(shí)，加在發(fā)射極上的周期激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過發(fā)射極與反射極、反射極與接收極的兩次極間耦合，在接收極上形成測量信號(hào)，測量信號(hào)經(jīng)過電路運(yùn)算，計(jì)算出動(dòng)?xùn)排c靜柵的相對(duì)位移[8]。圖6是容柵編碼器結(jié)構(gòu)的圖示。

2 編碼器應(yīng)用領(lǐng)域和現(xiàn)狀

自動(dòng)化系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速、設(shè)備運(yùn)行位置和行程的檢測等都是編碼器的實(shí)際應(yīng)用。

目前編碼器應(yīng)用的領(lǐng)域主要有：（1）機(jī)器人領(lǐng)域。為了確保機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)或行走，需要通過編碼器對(duì)機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。（2）數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床在工作過程中需要利用編碼器來完成對(duì)電機(jī)X和Y 軸坐標(biāo)的控制，組合刀架的換刀、對(duì)刀。（3）工程機(jī)械領(lǐng)域。編碼器廣泛應(yīng)用于重新車輛及混合動(dòng)力汽車的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)和車輛速度監(jiān)測器。（4）工業(yè)自動(dòng)化控制生產(chǎn)線領(lǐng)域。為了確保工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，需要精確的速度和方向信息。（5）風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。目前可再生資源發(fā)展最快的就是風(fēng)電。編碼器主要用于發(fā)電機(jī)的變槳和偏航系統(tǒng)的測速、角度位移，同時(shí)用于檢測風(fēng)速保證發(fā)電機(jī)的最大電力輸出，這是編碼器未來應(yīng)用的巨大市場。（6）石油天然氣行業(yè)。石油天然氣行業(yè)是高危行業(yè)，需要較高可靠性、較好密封性的高標(biāo)準(zhǔn)編碼器，主要用于鉆臺(tái)電機(jī)、鉆臺(tái)和污泥泵的測速，加油機(jī)上的編碼器用于測流量、計(jì)量加油量。（7）電梯。電梯的速度調(diào)節(jié)和橋廂的位置控制都需要很精準(zhǔn)的信號(hào)，編碼器可以在電梯控制上提供可靠精準(zhǔn)的位置信號(hào)和速度信號(hào)，完成電梯的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。除了以上主要應(yīng)用領(lǐng)域外，編碼器還廣泛應(yīng)用于冶金、天文、印刷、造紙等傳統(tǒng)領(lǐng)域，應(yīng)用范圍廣泛，應(yīng)用前景長遠(yuǎn)[9]。

3 編碼器的發(fā)展趨勢(shì)展望

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，編碼器開始向小型化、智能化領(lǐng)域發(fā)展，并且測量更精確、適應(yīng)性更強(qiáng)。首先，編碼器體積越來越小?？s小編碼器的發(fā)射元件、接受元件是為了編碼器能在更小的位置發(fā)揮它的作用。目前同位數(shù)的編碼器越來越小，許多新興的編碼方式的發(fā)明如矩陣式編碼方式、偽隨機(jī)碼編碼方式、游標(biāo)式編碼方式等正是為了適應(yīng)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的智能化、集成化。這些新的編碼方式縮小編碼器體積的同時(shí)，還為提高編碼器的智能化提供了基礎(chǔ)。其次，編碼器接口向智能化發(fā)展。差分電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及EPROM器件組成了編碼器的接口電路，編碼器的接口電路將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成參考脈沖信號(hào)、方波信號(hào)等，再傳輸給控制系統(tǒng)。接口電路的模塊智能化，可以有效提高編碼器的可靠性和獨(dú)立性，有效防止數(shù)據(jù)傳輸誤差。最后，編碼器測量精度提高。編碼器的精度通常由機(jī)械部分精度、碼盤劃分精度和信號(hào)處理電路綜合保證，提高編碼器精度需要采用先進(jìn)的工藝來提高光電元件、碼盤以及電路的精度。

近年來國外研制出了基于圖像識(shí)別技術(shù)的編碼器。這是一種全新的絕對(duì)式光電編碼器，其以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，以往的基于莫爾條紋計(jì)數(shù)的計(jì)量原理被打破，位置信息通過采用計(jì)算圖像質(zhì)心移動(dòng)量的方式來獲得，最高可達(dá)27位分辨率。其目前已成功應(yīng)用于精密制導(dǎo)傳感器、掃描反射鏡轉(zhuǎn)臺(tái)、干涉儀的掃描轉(zhuǎn)臺(tái)和六自由度平臺(tái)等項(xiàng)目中。

除此以外，編碼器的發(fā)展還向使用網(wǎng)絡(luò)化的信號(hào)傳輸技術(shù)、可編程編碼器技術(shù)、電磁兼容技術(shù)等方向迅速發(fā)展。編碼器是一種集光、電、機(jī)械技術(shù)為一體、具有廣泛用途的傳感器，隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破和科學(xué)的迅猛發(fā)展，編碼器技術(shù)必將越來越完善，產(chǎn)品應(yīng)用也越來越廣泛。

4 結(jié)語

目前，各種類型的編碼器廣泛用于測控、機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及其他許多技術(shù)領(lǐng)域。對(duì)編碼器測量精度和分辨率的要求不斷提高，促進(jìn)了編碼器設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展。本文闡述了編碼器的原理和分類，并分析了編碼器在機(jī)床、自動(dòng)化控制、新能源開發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后探討了編碼器小型化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。未來，將不斷研制出更多的新型編碼器，編碼器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛，其工作的可靠性和精度也將不斷提高。本文對(duì)編碼器的工作原理以及應(yīng)用現(xiàn)狀等進(jìn)行具體論述，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。