舞臺機械技術與設備系列談（二）
——編碼器

侯鵬強，唐 偉，向 飛

（成都炎興自動化工程有限公司，四川 成都 610052）

目前，編碼器作為一種重要的傳感器，其在舞臺機械中的應用占據著越來越重要的地位。運動類設備的精確運動在很大程度上依賴于編碼器安裝的可靠性、電信號傳輸的穩定性、計數單元的準確性。編碼器的分類有多種，最常見的分類為增量編碼器和絕對值編碼器，絕對值編碼器又分為單圈絕對值編碼器和多圈絕對值編碼器；根據編碼器內部工作原理的不同，又可分為磁編碼器和光電編碼器。

在舞臺機械的應用中，對于編碼器的使用常會遇到一些問題，如針對一個多軸驅動的升降舞臺，該選擇何種類型的編碼器，是增量編碼器還是絕對值編碼器？從成本考慮用磁編碼器是否可行？針對這些實際問題，文中基于編碼器的技術特點，解析在舞臺機械應用中如何選型、安裝、使用。

1 技術特點

1.1 編碼器原理

編碼器根據內部工作原理主要分為兩種：光電編碼器和磁編碼器，如圖1所示。

光電編碼器的主要工作原理是，通過光電轉換將輸出軸的機械幾何位移量轉換為脈沖或數字量的傳感器，主要由光柵盤和光電檢測裝置構成，如圖2所示。在伺服系統中，光柵盤與電動機同軸使電動機的旋轉帶動光柵盤的旋轉，再經光電檢測裝置輸出若干個脈沖信號，根據該信號的每秒脈沖數便可計算當前電動機的轉速。光電編碼器的碼盤輸出兩個相位差90°的光碼，根據雙通道輸出光碼狀態的改變便可判斷出電動機的旋轉方向。

圖1 編碼器

圖2 光電編碼器原理圖

圖3 磁編碼器原理圖

磁編碼器結構主要是在編碼器旋轉軸末端裝上一塊產生磁場的永磁體，將霍爾傳感器芯片置于一塊 PCB 線路板上，按照一定的要求（方向和距離）靠近編碼器軸末端的這塊永磁體，如圖3所示，通過解析從霍爾傳感器經 PCB 線路板輸出的電壓信號，就能夠識別出編碼器轉子的旋轉位置。

1.2 編碼器信號輸出

根據編碼器的信號輸出類型，一般又可分為增量編碼器和絕對值編碼器。

增量編碼器使用范圍較廣，常見的增量編碼器主要為脈沖輸出類型。將位移轉換成周期性的電信號，再變成計數脈沖，用脈沖的數量表示位移的大小。通常為A相、B相、Z相輸出，其中，A相、B相為相互延遲1/4周期的脈沖輸出，根據延遲關系可以區別正反轉，而且通過取A相、B相的上升和下降沿可以進行2或4倍頻；Z相為單圈脈沖，即每圈發出一個脈沖。

絕對值編碼器又可分為單圈絕對值編碼器和多圈絕對值編碼器，一般采用通信的方式和PLC或者驅動單元進行數據交互，如SSI、PROFINET、CANOPEN等。單圈絕對值編碼器一般只能記錄編碼器單圈的絕對位置，常用于做單圈旋轉運動的部件。多圈編碼器應用范圍更廣，可記錄編碼器實際轉過的圈數。

多圈絕對值編碼器實現多圈圈數檢測的方法主要包括：電池加計數寄存器、機械齒輪旋轉編碼等。

（1）電池加計數寄存器的原理簡單，就是利用在編碼器內部加裝的微處理器，記錄、計算和存儲編碼器旋轉圈數；而電池的作用，則是為了確保編碼器在斷電的時候，也依然能夠持續做到對圈數的累計和記錄。

（2）機械齒輪的多圈編碼器內部會有一個類似鐘表齒輪的齒輪傳動結構，即一串與主機械軸逐級咬合的減速齒輪組，每一級齒輪都與上一級齒輪和主機械軸之間有著整數倍的減速比關系。通過識別每個齒輪的旋轉角度位置，即可以實現對編碼器主機械軸旋轉圈數的檢測。機械齒輪的多圈編碼器輸出的絕對位置反饋，是基于當前機械物理傳動機構直接測得的，而不是根據歷史記錄計算出來的，無需電池，更不會受到線路干擾、程序錯誤等外界環境的影響，從位置檢測的源頭即做到信號反饋的安全性。

2 安裝和使用

2.1 選型問題

相比傳統的光學編碼器，磁性編碼器不需要有復雜的碼盤和光源，元器件數量更少，檢測結構更加簡單。同時，霍爾元件本身也具有許多優點，例如：結構牢固、體積小、重量輕、壽命長，耐振動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕等。

當然，磁性編碼器也有一些特定的短板，如容易受到電磁干擾，需要采取補償和保護措施避免溫度漂移，還有一個不好解決的問題就是多圈位置反饋。采用磁編碼器的方式，做絕對位置反饋就需要在編碼器內部增加信息處理單元和位置記憶單元，特別是針對位置記憶，一般都需要增加電池進行掉電保持。但是該方式存在一定的使用缺陷，比如電池失電的情況下位置就會丟失。

在舞臺機械行業，由于現場機械類設備較多，通常要求以穩定性為主，故在編碼器選型中通常采用光電編碼器。

2.2 安裝位置

編碼器安裝方式多種多樣，有安裝于電機軸的，有安裝于減速機軸的，還有采用拉線等其他形式的安裝。

編碼器安裝于電機尾軸，主要是為了實現速度閉環控制。變頻器通過編碼器能實時計算并獲取電機當前運動情況，并對應進行速度調節。比如變頻器希望電機輸出穩定在1 200 r/min的轉速，而當前電機實際轉速為1 150 r/min，變頻器可通過采集電機尾軸的編碼器值，獲知目前電機的實際轉速未到1 200r/min，進而通過調節電流環，使速度提升到1 200 r/min。在此過程中，假如速度由于其他原因提升不上去，變頻器會進行對應的報警。采用速度閉環的好處較多，如可使得電機在不同負載情況下運行特性基本一樣，進而有利于位置環的調節。

在舞臺機械應用中，一般要求在電機尾軸安裝有單獨的增量編碼器用于速度調節，也常會用該編碼器做位置調節。對于有些只安裝了一個編碼器在設備低速傳動軸，如減速機出軸位置，一般都無法完成速度閉環，只能進行粗略的位置閉環，且精度和響應速度都存在不足，在負載變化較大的情況下響應方式會存在差異。

對于安裝于電機尾軸的編碼器，一般有小的半軸套型編碼器和通孔型編碼器，從應用的實際情況看，兩種類型的增量型編碼器使用效果都不錯，編碼器松動、運行晃動現象均不明顯，采用其中任何一種均可。但對于電機尾軸需要安裝手輪的應用來說，則基本只可選擇通孔型編碼器。

2.3 雙編碼器安裝

雙編碼器常采用一個增量一個多圈絕對值的組合，也有兩個增量的配置方式。一個設備的兩個編碼器作用通常不一樣，其中，增量編碼器主要用于速度環的調節（多數變頻器只支持采用增量編碼器做速度閉環，個別變頻器也支持采用多圈絕對值編碼器進行速度環調節）；第二個編碼器則用于位置調節。

系統為了達到SIL3安全級別，需要配置雙編碼器，進行編碼器的比較，可在一個編碼器失效的情況下快速判斷出設備的異常，防止某個編碼器損壞導致危險情況發生。

但是對于有些應用場所，比如多個電機驅動同一個剛性設備的情況，則采用增量加多圈絕對值編碼器的配置方式，并且多圈絕對值編碼器一般裝在執行部位，比如采用拉線傳感器的方式或者安裝在最后的減速機執行端，進行最終位置的測量和多個設備之間位置的精確比較。此類情況若不安裝多圈絕對值編碼器，容易出現增量編碼器持續累積誤差，造成多驅動之間最終位置出現偏差，從而導致設備出現傾斜或者受力不均等危險情況。

目前，出現了采用雙輸出方式的編碼器，即一只編碼器可輸出兩種信號，一種增量一種多圈絕對值，可統一安裝于電機尾軸，安裝過程簡單方便。但是，該安裝方式通常會造成增量輸出信號和多圈絕對值輸出信號同時出現問題，如軸的松動帶來的兩種編碼器信號同時異常，編碼器內部供電回路異常造成的編碼器兩路輸出異常等情況。為了規避該類問題，可采用分離編碼器的方式，將兩只編碼器安裝于不同位置，如增量編碼器安裝于電機尾軸，多圈絕對值編碼器安裝于減速機軸等。

3 結語

在舞臺機械的應用中，編碼器的選型并沒有一個定論，一般是根據使用情況確定使用哪種類型的編碼器。在選型過程中，不僅需要考慮編碼器的性能指標，還要從價格、使用環境等方面綜合考慮，隨著對安全要求的提升，相信采用雙編碼器會逐漸成為舞臺機械設備的必然趨勢。