用于运动控制工程师的编码器基础知识

编码器是运动系统中的关键元素，因为它们向运动控制器提供位置和/或速度反馈，使控制器能够关闭控制回路。需要编码器的应用程序的数量非常多，为这些应用程序服务的编码器的类型和大小也非常多。对于设计工程师来说，选择适合自己需要的编码器是一件相当艰巨的事情。这篇文章着眼于编码器类型之间的差异和一些可指定的选项，以选择最佳的编码器的工作，重点放在最常见的编码器类型:旋转编码器。

线性编码器与旋转编码器

位置/速度编码器有两种机械配置:线性或旋转。顾名思义，线性编码器测量直线运动物体的位置或速度。典型的线性应用是线性电机或X-Y表的控制，如在垂直数控铣床或用于电子组装的pick and place机器上发现的那些。它们也经常出现在包括数字卡尺在内的计量仪器中。另一方面，旋转编码器用于测量物体的角度或旋转速度。一些典型的应用包括电机速度控制，或用于跟踪太阳的可移动光伏阵列的角度控制，或控制机器人手臂的角度位置。

旋转编码器可提供不同的物理规格，以服务于不同的工作环境。例如，在苛刻的工业应用中使用的那些材料必须设计得能够承受恶劣和极端的工作条件。极端的温度、振动、灰尘和碎片是这些编码器每天必须面对的挑战。因此，工业编码器往往是大而坚固的，以承受恶劣的环境。对于不太恶劣的环境，例如电子制造业，重点可能是更小的尺寸、更低的成本或利用更多配置选项的能力。

光学编码器与磁性编码器

光学编码器更常见，并提供最高水平的精度和分辨率。旋转编码器使用一种光学传感器来检测通过或反射从磁盘(也称为码轮)的光，该磁盘的图案既有透明的线也有不透明的线。当光被传感器接收时，编码器发出一个高信号。相反，当光被代码轮上的一条线挡住时，传感器发出低信号。因此，有了圆盘上已知的模式，就可以利用信号信息获得移动的距离和速度。

磁性编码器使用代码轮根据所需的分辨率使用具有分布在车轮周围的交替磁极的代码轮。当车轮旋转并产生数字脉冲系时，编码器中的磁传感器检测磁场的变化。磁性编码器具有优点，因为它们不像光学编码器那样敏感，并且可以在具有更高湿度，灰尘和振动的区域中使用。磁性编码器还可以在各种流体环境中操作。磁性编码器使用的功率低于它们的光学对应物，但通常不会提供与磁场中固有的非线性引起的光学编码相同的分辨率或位置精度。

当光盘有机会变为“雾化”时，可以优选使用磁编码器，当码轮上融合时，光学编码器变得“雾化”。考虑一种应用光学编码器在非常低的温度下保持的应用，然后环境温度迅速增加。这种快速温度变化可能导致编码器的所有表面上的冷凝，包括光学码轮。当码轮表面收集水分的液滴时，码轮图像的光传输到光学传感器变得破坏，并且在输出上可能发生错误或缺失的信号。通过磁性编码器设计，水分的冷凝不是旋转磁体和磁传感器的问题。

机械配置

电机反馈编码器可能包含他们自己的轴承，或者他们可能使用一个现有的轴承集，如在伺服电机的尾轴上发现的。使用哪种配置选项是编码器所附轴/轴承的稳定性的函数。带轴承的反馈编码器通常用于应用轴有显著的轴向或径向跑出(偏心或振动)。这种风格的编码器将纳入一些灵活的成员，无论是一个灵活的联轴节或柔性体安装，以允许机械依从的应用轴操作不规则。

模块化编码器，也称为套件编码器，不包含自己的内部轴。它们由编码器制造商提供的组件组装而成，设计用于连接到电机的尾轴和端钟。这些编码器依赖于机械稳定的电机轴，因为轴负责保持编码器内部旋转的码轮相对于编码器的传感元件的精确位置。对于这些应用，电机制造商投入了大量的精力来设计高性能的电机，具有非常稳定的轴/轴承组件。因为模块化设计不增加额外的轴承集的费用，电机反馈编码器做，模块化编码器提供最具成本效益的反馈解决方案。

绝对与增量感测

编码器的一个基本分类是，在设计中它们的架构是绝对的还是增量的。这是指编码器发出的输出类型。如前所述，增量式编码器使用内部码轮上的线输出数字脉冲序列，该脉冲序列对应于检测亮区和暗区(或磁极，就像磁编码器的情况)的传感器。典型的增量式光学传感器使用由一定度数分离的多个传感元件和简单的模拟到数字电子来产生两个相移输出脉冲串(通常称为通道a和通道B)。而旋转方向则由A和B脉冲序列的相位差来确定。在一些增量式编码器中，编码轮上增加了一个额外的光通道，带有特定的光学图案和它自己的传感器，以提供每旋转一次的电脉冲。这个脉冲称为指标，可以使运动控制器在编码器码轮旋转过程中计算电机轴的角位置。

增量编码器对位置和速度控制都非常有用，因为脉冲处理非常简单。增量式编码器的缺点是，任何时候失去电源，机械系统的真实位置也将失去。在这种情况下，需要将机械系统复位到已知的初始位置并重新启动。

在某些应用中，这种类型的重新校准过程是不可能的，或者非常昂贵。一个例子是半导体制造设备，机器需要保持非常紧的位置公差。在断电事件后，机器需要能够从断电时刻的准确点继续操作，而无需执行重新校准程序。在这种情况下，绝对编码器是必要的。

绝对旋转编码器与增量式编码器的不同之处在于，它提供了对应于特定轴位置角度的输出。这个角度被指定为一个由若干位(例如，10位或12位)定义的分辨率，取决于内轮上的角标记的总数。这与增量式编码器发出的一系列脉冲形成对比，增量式编码器必须对其进行计数，以确定轴在一个寻的周期后的位置。

绝对编码器的输出可以根据所选择的编码器采取不同的形式。在一些编码器中，轴角被转换为模拟电压，随着轴旋转单调增加。绝对编码器还可以提供脉宽调制输出，当轴旋转时产生脉宽增长的脉冲。一些编码器通过支持Modbus、CANOpen或Profibus等标准通信协议的rs -485串行接口以数字方式提供角信息。这使得带有这些接口的运动控制器很容易确定轴的确切位置。

多转绝对编码器是一种变型，其能够在轴的多个转弯上提供绝对位置信息。多转绝对编码器的总可用分辨率是单匝位数的总和加上转弯位数。For instance, an absolute encoder with a resolution of 10 bits per turn (dividing the 360 degrees around the wheel into 1024 segments) and providing a 12-bit turn count will yield 22 total bits of resolution (i.e., up to 1024 different angular position readings) over 4096 turns of the shaft.

有了所有可用的选项，设计工程师将不得不选择最适合应用程序的编码器。由于增加了复杂性，绝对编码器比增量编码器更昂贵，但它们也更适合关键位置控制情况。

准确性与分辨率

如前所述，编码器向运动控制器提供关于转轴或直线运动执行器的速度和/或位置的信息。编码器提供的位置信息加上或减去一个特定的公差，该公差表示设备的精度。精度规范是编码器最常被误解的方面。通常，指定分辨率更高的编码器是基于磁盘上的行数越多，定位精度越高的假设。这是不正确的，因为编码器的精度和分辨率没有以任何方式连接。

编码器的精度主要由编码信息放置在磁盘上的精度以及磁盘图案相对于编码器的传感元件旋转的同心度来定义。编码器精度以弧分或弧秒为单位指定。例如:一个每转100行(或磁极)的低分辨率增量编码器将报告180度，与每转10,000行(如果它们共享相同的位置精度规范)的编码器一样准确。高分辨率编码器可以将0到180度之间的步骤分解成更细的增量。

另一种了解精度和分辨率之间的差异是将编码器视为模数转换器的形式。它们将机械轴位置的模拟值转换为数字形式。与他们的电子A到D表兄弟一样，它不足以简单地指定分辨率。传统电子A至D的准确性通常用两个术语指定：积分非线性，差分非线性。

微分非线性是相邻编码之间的差异量，与分辨率直接相关;它必须小于1位，否则分辨率被过度指定(一个带有2位微分非线性的12位编码器实际上是一个11位编码器)。对于编码器，微分非线性对应于编码器输出码的单调性。对于增量式编码器来说，这几乎从来都不是问题:如果编码器在磁盘上有1000行，就会从编码器中得到1000个脉冲。

积分的非线性是转换器实际响应从完美转换器的理想响应的衡量标准的衡量标准;大多数电子A至DS相对于从零抽取的线路具有弓形误差曲线至最大输入值。然而，积分非线性更加难以捉摸，难以在编码器的世界中陷入困境。它不会在大多数数据表上找到，但通常仍然存在，通常是正弦波形误差曲线。

编码器整体非线性的主要原因是码轮与编码器传感元件之间的同心度误差。通常有一个固定螺钉，将代码轮毂固定到轴。这与轮毂滑到轴上所需的间隙相结合，导致相对于编码器的磁盘模式检测系统产生非常轻微的运动偏心率。当偏心量已知时，运动控制算法可计算并补偿非线性。

结论

编码器有许多机械式和功能性版本。了解编码器设计中的一些基本权衡，将允许系统设计师正确地选择编码器，以满足他/她的成本和性能需求的整个应用程序的生命周期。

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