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反馈在运动控制中起着重要作用。伺服电机，越来越多，步进电机利用编码器反馈，以精确控制速度和位置。编码器是换能器，其将被跟踪的物体的运动转换为与速度或位置相对应的模拟或数字输出的诸如电动机轴或负载。编码器是有效的反馈设备，但仅在为应用程序和条件正确指定时。在这里，我们审查了选择最佳编码器，逐步选择的过程。有关编码器技术的更详细教程，请参阅了解编码器．

关于申请的事情

指定编码器从应用程序的需要开始。考虑的关键因素包括：

• 环境条件，包括温度，水分，休克和振动，污染
• 运动类型：单向或双向等。
• 对重新定位的运动和敏感度的大小
• 机械设计，包括系统合规性
• 驱动器和控制器的电气需求
• 物理配置，包括形状因素，编码器和控制器之间的物理距离
• 预算

在检查模型或打电话给供应商之前尽可能多地收集信息——您希望做出明智的决定。

一、环境特征是什么?

应用程序的环境条件驱动最基本的编码器选择：传感器引擎的类型。最常见的传感器发动机是光学，磁性和电感的。电容式编码器确实存在，但在本教程中不会涵盖它们。

光学编码器

工作原理:在光学编码器中，有图案的盘连接到被监控的对象(通常是电机轴和负载)之间的传递源(通常是LED)和光电探测器固定身体的编码器的模式(见图1)。盘排骨梁来生成一个火车的方波脉冲或生成一个二进制数字。在任何一种情况下，控制/读出使用这个数据来确定位置，可能还有速度。在线性光学编码器中，信号源和检测器都随着负载移动，而产生输出的线性刻度固定在机架上。

图1:在光学编码器中，有图案的圆盘通过光源和探测器之间来调制光束。车载电子处理光电二极管的输出，产生方波脉冲序列，可以转换为位置和速度信息。（由病人提供）

优点：光学编码器提供这类反馈设备的最高分辨率。因此，它们对于需要跟踪角度位置的科学和苛刻的工业应用，它们非常友好。

缺点:在缺点方面，光学编码器对污染敏感，不应用于将其暴露于灰尘，水分或腐蚀性化学物质的应用。具有玻璃码盘的光学编码器容易受到冲击和振动。如今，Mylar Code光盘更常用，更强大地对冲击和振动。

最好用于：科学应用和工业应用具有非常苛刻的产出性能。

磁性编码器

工作原理:磁性编码器类似于光学编码器。代替光学代码盘，磁旋转编码器使用不同的结构来扰乱磁场，例如具有交流磁畴所图案化的齿形亚铁金属齿轮，或滚筒或盘;线性版本使用线性尺度。交替域创建了一种不同的磁场，可以使用多种技术中的任何一种，包括简单的磁力拾取器或提供更好的高速性能的磁电限制检测器来检测。或者，霍尔效应传感器利用固态探测器阵列，该阵列提供了具有高灵敏度和分辨率的经济型稳健的解决方案，具有更好的高冲击载荷的耐受性。

优点：磁编码器可以承受极其恶劣的条件，使其非常适合工业应用。他们可以在水下工作，覆盖灰尘，暴露在非常高的振动。它们非常经济，适用于预算应用。

缺点:对高磁场敏感，可能需要屏蔽。非常高的冲击载荷可以使磁性畴消除，如非常高的温度;如上所述，霍尔效应传感器不太容易受到冲击载荷的影响。根据传统思维，磁编码器仅提供适度的分辨率。再次，霍尔效应传感器提供了改进的性能。对于极端脏环境的苛刻应用，霍尔效应传感器可能是理想的选择。

最好用于：环境恶劣的工业应用。

归纳编码器

工作原理:电感式编码器与变压器密切相关，后者是差动变压器，通过跟踪一对“读出”线圈中感应的电压来确定旋转负载的绝对角度位置。初级线圈与转子相连并通电，而次级线圈则与转子相连并通电s和次级余弦线圈附接到定子。初级线圈的旋转引起次级线圈中的电流。随着这个衍生表明那采用正弦线圈电压和余弦线圈电压的比例的圆角产生角度。剖位器非常坚固，但可能难以安装。诱导归纳编码器旨在解决此缺点。

归纳编码器是旋转变压器的固态实现。而不是传统线圈，线圈是平坦的元件，其光刻图案化到PCB上（参见图2）。所有三个线圈都在同一PCB上并安装在定子上。安装在转子或轴上的导电盘激发线圈。

图2:感应编码器的展开图显示了平版图形线圈(右二)和导电圆盘(右三)。（由Heidenhain提供）

优点：非常高的分辨率。耐污染、液体侵入、极端温度、冲击和振动。比解析器更容易使用，更紧凑，特别是涡流设计，使用只有100微米厚的无铁薄膜的导电盘。

缺点:虽然电感器很强大，但导电磁盘仍然可以创建问题。正确选择导电盘至关重要。具有热极端的应用不应使用软铁码盘。铁氧体或铁氧体代码盘可能仍然用于高磁场，但可能需要屏蔽。

最好用于：应用具有恶劣条件和高分辨率/准确性需求。

您的申请可以处理重新归位吗？

编码器可以被归类为增量和绝对。增量编码器是机电传感器，其轨道从启动时设置的一些任意主位置的增量进步。结果，如果它们被关闭或故障，则必须在操作之前重新归存（见图3）。对于只需要在Web处理线上的速度控制的简单应用程序，例如在包装处理设施中，增量编码器可以是经济的解决方案。

绝对编码器将唯一数字字分配给每个角度位置。因此，即使在启动时，编码器始终可以返回在询问时被跟踪的设备的角位置。绝对编码器的最佳适合包括在循环中任何点的重新归位可能导致损坏或不安全的条件。示例包括手术机器人，汽车机器人或相互关联的力学或轴，可能会在故障后上电时崩溃。在某些情况下，只有花费的时间可以产生负面影响，并证明绝对编码器的适度成本差异是合理的。

图3：增量编码器（左）的代码盘以交替的不透明区域和透明区域的同心区域图案化，以产生方波脉冲流。图案化用于绝对编码器（右）的磁盘以为每个角度位置生成唯一的数字字。每个引入绝对编码器TSK对应于分辨率的一位。（由Dynapar提供）

你在想衡量什么？位置？速度？方向？

对于这个问题，我们将从增量式光学旋转编码器开始。(注意，增量式线性光学编码器与线性和旋转式增量式磁性编码器的工作原理类似。)增量式编码器的码盘上有密集均匀分布的线组成的同心区域或通道，这些线在盘转动时切断光束。因此，由光电探测器产生的光电流产生模拟脉冲流，该模拟脉冲流被数字化，产生代表脉冲的方波输出。机载电子设备可以将脉冲流转换为计数，但读数或控制设备必须执行进一步的处理以返回位置和/或速度。

如果系统仅需要跟踪单向旋转或监视速度，则具有一个通道的代码光盘就足够了。问题是，来自单通道编码器的脉冲流看起来相同，无论光盘是否顺时针转动或逆时针。需要跟踪方向的应用需要正交编码器。

在正交编码器中，码盘包含至少两个通道，a通道和B通道。这两幅图的相位相差90度。这返回的两个信号是90°的相位(在正交)。因此，通道a先升高，系统可以检测运动方向(见图4)。

图4:在正交编码器中，通道电机将通道B引线90°。因为通道A先变高，所以系统总能确定旋转方向。

增量式编码器还可以包括电机换向通道，通常指定为U和v。尽管这些通道通常只对电机制造商感兴趣，但它们可能对使用无框架电机的oem非常有用。

正交编码器通常还包括一个Z通道，一个每转一个脉冲的通道。Z通道可用于寻的。它还用于监控多转操作，每次系统读取索引脉冲时迭代360°的读数。

关于是否使用正交或单通道编码器进行问题，考虑最大化功能。与仅仅是标准的成本仅限脉冲的成本相比，添加完整吹吹奏的正交信号的成本非常少，“运动控制传感器的市场产品经理Jay Johnson说：生病的(明尼苏达州明尼阿波利斯市)。“我总是宁可过于谨慎，也要让所有的渠道都可用来使用和阅读。”

绝对编码器不需要特殊的规定来跟踪方向，因为每个角度或线性位置都分配了一个特定的数字字。然而，他们确实需要一个单独的圆盘来监视多回转操作。该阀瓣通过一个简单的传动机构与主阀瓣连接(见图5)。

图5：多匝绝对编码器使用简单的传动机构，将主反馈盘的运动与监视器转弯的二次光盘系。(生病)。

你需要多大的决心?

分辨率的选择可能是指定编码器的最大缺陷。有一个广泛的假设，即更高的分辨率编码器将自动提高定位精度。这不一定是这种情况。任何定位系统的准确性受到力学的限制。即使是最高分辨率的编码器，如果在系统中具有如此多的遵守情况，它也是无效的，即它无法可靠地定位到所需的准确性。“我认为客户有时会混淆这些概念，认为更高的分辨率意味着当实际上它只是意味着您可以看到更多的时候，他们的系统更准确，”乔纳森Dougherty，Business Developmany Manager海德哈（Schaumburg，伊利诺伊州）。

在最佳案例方案中，编码器上浪费了额外的资金，系统无法满足定位目标。在最坏情况下，轴的轴来回移动并移动，狩猎指令的位置，但无法达到它。这可以延迟操作或甚至导致轴发生故障。在这种情况下，花在额外分辨率上的资金可能更好地应用于具有较少合规性或轴的联轴器较少。

要确定分辨率，首先确定应用程序所需的最小检测距离。选择最小增量的四倍是一个很好的拇指规则。对于敏感的应用，它可以提升到10倍。远高于很可能在少数情况下很有用。“看起来默认是默认是为了才能到达最高，因为他们认为它更好，”约翰逊说。“现在，它可能是一个非常小的应用程序，但如果你不需要它，它可以造成一些伤害。你得到了这么多的反馈，它变成了噪音，它真的可以在系统中引起问题。所以，我回顾了实用。我真正需要衡量的最小金额是多少？只要我的决议是这个数字的四倍，我可能在现实世界中很好。“

旋转增量式编码器是以每转脉冲(PPR)为单位指定的。这是指在代码盘上图案的行数。线性增量编码器是以每单位长度的行数来指定的。

应用程序所需的分辨率和实际系统中实际实现的分辨率之间存在广泛差异。对于旋转增量编码器，应用程序（RPM）和电子带宽或工作频率（HERTZ）的角度速度控制可以由硬件传输的脉冲数。我们可以计算使用以下公式的给定编码器进行物理可能的分辨率以进行最大线路计数：

操作频率是编码器电子的内部。它由制造商提供，通常是千赫兹或Megahertz的顺序。如果您需要高速系统的高分辨率输出，请查找具有更快的工作频率的编码器。

为了简化编码器选择，制造商提供了分辨率的数据曲线作为速度的函数（见图6）。同样，这些数据图特定于给定的编码器，并使得可以在速度和性能之间平衡。

图6:一个特定编码器的每转步作为速度的函数图，使其有可能平衡运行条件和性能。如果应用程序不能在速度或革命上妥协，寻找一个操作范围更高的编码器或考虑不同的解码方案。（由病人提供）

添加行不是增加分辨率的唯一方法。分辨率是PPR的函数以及如何读出光电探测器的信号。后者被称为解码，并取决于系统用于触发读数的信号的哪些部分。

通常使用三种格式。触发通道A（1x解码）的上升沿提供等于代码盘的PPR的分辨率（参见图7）。触发通道A（2x解码）的上升和下降沿提供PPR的两倍的实际分辨率。触发频道A和通道B（4x解码）的上升和下降沿给出了PPR的分辨率。根据应用程序，它可能是提高分辨率的好方法，以最低额外的成本提高分辨率。“您应该考虑您拥有的灵活性，知道您可以使用1x，2x或4x的乘数来通过软件实现增加分辨率，而不是购买新组件或购买具有更高PPR的新编码器，”达尔森Ferbert.他是Dynapar公司(Gurnee, Illinois)的应用工程师。

图7:在通道A的上升边缘触发(上)给出的分辨率等于光盘的PPR。触发通道A(中间)的上升和下降边缘使分辨率加倍。触发两个通道的上升和下降边缘(底部)增加了圆盘PPR的分辨率四倍。

也就是说，该方法涉及权衡。对于OEM对所需的分辨率充满信心，更高的实际分辨率而不是通过软件生成的分辨率可能不太容易出错。“通过计算前沿和尾翼的边缘来使用内插脉冲计数可以一般地工作，但要意识到方波边缘的质量非常重要，”费尔伯特说。“如果您有更长时间的电缆运行，让我们说50英尺或更长时间，并且没有正确的线路驱动器，信号边缘将变得越来越少，较少。”有技术可用于降低长线运行的噪声。这涉及正确指定输出驱动器以筛选噪声，这是我们将覆盖的主题。

系统的电气需求是什么？

世界上所有的反馈数据如果不能从编码器发送到读出设备，对系统都没有好处。增量式编码器和绝对式编码器产生的输出本质上是不同的，因此它们的布线和传输方案也不同。增量式编码器要求每个通道直接连接到控制/计数器设备。有两种基本的布线方法:

单端布线：从每个通道到读出设备的一根电线，加线vcc.和地面。

凡好：少布线，因此降低成本，复杂性，失败点，以及错误的机会。

cons:易受噪音和损失的影响

最好用于：低噪声环境中的电缆非常短

差动连接:从每个通道到读出设备的两根线(双绞线)，加上Vcc和接地线。

凡好：可用于噪声消除，在更高噪声环境中扩展电缆运行和有效性。

cons:更多的电线，因此增加了成本，复杂性，出错的可能性，故障点

最好使用：具有高噪声或长电缆的应用

增量编码器需要输出驱动程序将信号传输到读出设备。输出驱动器的选择应由接收设备的要求驱动。您的控制器/驱动器有哪些电压要求？电压需要足够高，以便读取和强大，以便在网络上生存传输。

输出驱动程序可分为三类：开路收集器，线路驱动器和推拉。它们必须与电路中的其他设备兼容以避免损坏。

开放式收集器输出驱动器

开放集电极输出驱动器是最经济的设备。它们被认为是下沉的输出装置，这意味着它们为电路提供了地面。它们应与采购控制器和驱动器一起使用，这将为它们提供电流。当开关关闭时，信号电平“浮动”。当它开启时，信号被拉低。开路集电极输出驱动器需要适当大小的上拉电阻，为控制提供正确的输出电压。

在PLUS侧，开孔输出驱动器简单且经过一系列电压要求。在缺点时，它们容易受到噪音，只能处理低电流，这限制了它们的距离。它们最适合用于低噪声环境中的短电缆运行。

线司机

对于更长，更高的噪声环境，线的司机可能是更好的解决方案。线路驱动程序被认为是采购输出设备，这意味着它们为电路提供电压。They are the appropriate choice for sinking controllers.通常，它们提供0-5 V输出，因此控制器需要能够在该限制内运行。

线路驱动程序的大益处之一是其噪声消除功能。当用差分接线连接时，线路驱动器可以将补码（阶段180°）发送到通道。通道输出及其补充取消，但噪声仍然存在。结果，可以从输出中删除（参见图8）。

图8:差分线驱动器生成a互补每个通道的信号。互补信号取消但噪音没有，使得可以取消噪声并修复信号。（由Dynapar提供）

推拉驱动程序

第三种输出驱动器是推拉驱动程序．这种类型可以同时充当来源和来源驱动程序，使它们分别与来源和来源控制器兼容。推挽驱动器提供最大的灵活性和最大的传输距离。缺点是，它们更贵。

因为绝对编码器传输的是数字文字而不是模拟信号，所以它们提供了多种不同的通信选择。它们包括:

• 平行布线：每个数据位的一对电线。并行布线同时发送每个比特，但它确实需要更多的电线，这增加了复杂性和成本。
• 串行接口：这些硬件/软件解决方案一次在单个接口上发送所有位，一次将所有位接口发送。这减少了所需的布线量，切割成本，复杂性和误差机会。
• 总线连接：现场总线，如CAN，PROFIBUS，MODBUS等，使能够通过主设备链接多个设备。
• 工业以太网：支持以非常高的速度连接非常多的设备。存在许多协议，包括Ethernet/IP、EtherCAT、ProfiNET、DeviceNet、CANopen、IO LINK等。

您的机械要求是什么？

在编码器可以提供反馈之前，需要机械地安装在系统上。有多种选项可用。需要考虑的关键因素是：空间，所需的形状因素和电机轴的机械性能和与编码器界面的负载。

编码器可以被归类为实心轴或空心轴。固轴编码器必须耦合到电机轴或负载。在上行，可以指定联轴器来进行补偿用于电机轴的跑出和端部间隙，减少轴承的磨损。不利的一面是，这种遵从性也会危及系统提供准确反馈的能力。有轴编码器的另一个缺点是，它们为电流通过编码器轴承进入电子器件提供了路径。

中空轴编码器提供了一种解决这些问题的方法。在一个空洞的-轴式编码器，编码器轴未与电机轴连接。这消除了轴电流损坏电子器件的路径。

另一个重要的机械考虑是指定编码器轴承。轴承是编码器最常见的失败点，可以施加速度限制。必须确保轴承不仅可以处理轴承，而且是负载类型。例如，径向载荷施加比轴向载荷的速度非常不同。任何应用负载都会影响编码器的性能和寿命，除非它专门为任务大小。

根据应用，毫无辅助的编码器可能是更好的选择。特别是空心轴编码器借给较少的设计。在较少轴承的空心轴编码器中，码盘部分附接到电动机的旋转轴，而编码器的静态部分连接到电动机的面部。结果，编码器中不需要轴承，其消除失败点和寿命和编码器速度的主要限制之一。

但是，有权衡。因为代码盘安装到旋转轴，所以耗尽和端口直接传输到编码器。结果，用于耗尽和结束的安装容差变得更加紧张。这是一个更好的选择，作为正确应用程序的更好选择。

“这是一种给予和服用，”多尔蒂．“你和轴承一起使用古典方法吗？您将能够处理轴载荷。你的电机耗尽，结束玩法可能会一点敏感，但你必须担心顶端速度，需要确保没有通过的轴流。额外的编码器通常较低。您不必担心轴电流或高速。他们通常有更长的生命周期，但它们对安装容差，跳动，最终播放，类似的东西非常敏感。“

重要的是要注意，并非所有空心轴编码器都是轴承的，并且所有轴上编码器也不包括轴承（见图9）。

图9：空心轴编码器包括用于行进的布线或光束的空间。空心轴编码器可以轴承较小或轴承样式。（由Heidenhain提供）

编码器制造商提供多种安装选择，包括面安装法兰，伺服法兰和轴上编码器的方形法兰加上空心轴型号的系绳。制作场修改似乎是将编码器符合设计的好方法。然而，这是一种能够接受伦敦罗得岛的方法，伦敦罗得岛，用Dynapar应用工程师。“人们认为他们可以倾向于敲击一些孔或钻头，但这是它必须真正成为精密山的情况之一，”他说。“修改对编码器上不存在的挂载只是不是一个好主意。”

编码器规范是许多选项之间的权衡过程。应用程序将确定编码器是否需要旋转或线性，增量或绝对。环境条件，分辨率要求和预算将结合确定要使用的传感器引擎的类型。关于指定一个有益的决议并没有对绩效和预算不利的决议，重要的是要战略。让电子考虑确定接线方案和输出驱动程序。不要忘记包装和特殊要求，如专用的编码器和安全额定值。最后，在打电话之前为您的供应商收集尽可能多的信息。他们有一个深入的经验，可以绘制，可以帮助您通过您的选择筛选，提出您的系统的最佳解决方案。

致谢

感谢Heidenhain的业务开发经理凯文kaufenberg进行有用的对话。