编码器计数原理与电机测速原理——多图解析

只看该作者 · 2023-8-26 16:57

它是将设备运动时的位移信息通过二进制编码的方式（特殊的码盘）变成数字量直接输出。其特点如下：

1、其码盘利用若干透光和不透光的线槽组成一套二进制编码，这些二进制码与编码器转轴的每一个不同角度是唯一对应的。

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2、绝对式编码器的码盘上有很多圈线槽，被称为码道，每一条（圈）码道内部线槽数量和长度都不同。它们共同组成一套二进制编码，一条（圈）码道对应二进制数的其中一个位（通常是码盘最外侧的码道表示最低位，最内侧的码道表示最高位）。

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3、码道的数量决定了二进制编码的位数，一个绝对式编码器有N 条码道，则它输出二进制数的总个数是2的N次方个。

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4、读取这些二进制码就能知道设备的绝对位置，所以称之为绝对式编码器。

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5、编码方式一般采用自然二进制、格雷码或者BCD 码等。

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自然二进制的码盘易于理解，但当码盘的制造工艺有误差时，在两组信号的临界区域，所有码道的值可能不会同时变化，或因为所有传感器检测存在微小的时间差，导致读到错误的值。比如从000跨越到111，理论上应该读到111，但如果从内到外的3条码道没有完全对齐，可能会读到如001或其它异常值。

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格雷码（相邻的两个2进制数只有1个位不同）码盘可以避免二进制码盘的数据读取异常，因为格雷码码盘的相邻两个信号组只会有1位的变化，就算制造工艺有误差导致信号读取有偏差，最多也只会产生1个偏差（相邻信号的偏差）。

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编码器参数
分辨率
指编码器能够分辨的最小单位。

对于增量式编码器，其分辨率表示为编码器转轴旋转一圈所产生的脉冲数，即脉冲数/转(Pulse Per Revolution 或PPR)。

码盘上透光线槽的数目其实就等于分辨率，也叫多少线，较为常见的有5-6000 线。

对于绝对式编码器，内部码盘所用的位数就是它的分辨率，单位是位(bit)，具体还分单圈分辨率和多圈分辨率。

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精度
首先明确一点，精度与分辨率是两个不同的概念。

精度是指编码器每个读数与转轴实际位置间的最大误差，通常用角度、角分或角秒来表示。

例如有些绝对式编码器参数表里会写±20′′，这个就表示编码器输出的读数与转轴实际位置之间存在正负20 角秒的误差。

精度由码盘刻线加工精度、转轴同心度、材料的温度特性、电路的响应时间等各方面因素共同决定。

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最大响应频率
指编码器每秒输出的脉冲数，单位是Hz。计算公式为：

最大响应频率= 分辨率* 轴转速/60

例如某电机的编码器的分辨率为100（即光电码盘一圈有100条栅格），轴转速为120转每分钟（即每秒转2圈），则响应频率为100*120/60=200Hz，即该转速下，编码器每秒输出200个脉冲（电机带动编码器转了2圈嘛）。

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信号输出形式
对于增量式编码器，每个通道的信号独立输出，输出电路形式通常有集电极开路输出、推挽输出、差分输出等。

对于绝对式编码器，由于是直接输出几十位的二进制数，为了确保传输速率和信号质量，一般采用串行输出或总线型输出，例如同步串行接口(SSI)、RS485、CANopen 或EtherCAT 等，也有一部分是并行输出，输出电路形式与增量式编码器相同。

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码盘测速原理
编码器倍频
编码器倍频是什么意思呢，比如某光栅编码器一圈有N个栅格，理论上电机带动编码器转一圈，只能输出N个信号，通过倍频技术，可以实现转一圈，却能输出N*n个信号，这里的n为倍频数。

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增量式编码器输出的脉冲波形一般为占空比50% 的方波，通道A 和B 相位差为90°。

1、如果只使用通道A计数，并且只捕获通道A的上升沿，则一圈的计数值=码盘的栅格数，即为1倍频（没有倍频）

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2、如果只使用通道A计数，并且捕获了通道A的上升沿和下降沿，则编码器转一圈的计数值翻倍，实现2倍频

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3、如果既使用通道A计数，又使用通道B计数，且都捕获了上升沿和下降沿，则实现了4倍频

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假设某个增量式编码器它的分辨率是600PPR，能分辨的最小角度是0.6°，对它进行4 倍频之后就相当于把分辨率提高到了600*4=2400PPR，此时编码器能够分辨的最小角度为0.15°。

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M法测速
又叫做频率测量法。该方法是在一个固定的时间内（以秒为单位），统计这段时间的编码器脉冲数，计算速度值。M法适合测量高速。

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假设：

编码器单圈总脉冲数为C（常数）

统计时间为 T0 （固定值，单位秒）

该时间内统计到的编码器脉冲数为 M0（测量值）

则：转速n（圈/秒）的计算公式为：

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M0即统计时间内有多少个编码器脉冲，再除以统计时间 T0，即1s（单位时间）内转了多少圈

例如：统计时间T0为3s，在3s内测得的脉冲数 M0为60，而编码器的单圈脉冲数C为20，则转速n=60/(20*3)=1圈每秒

由于C 是常数，所以转速n 跟 M0成正比。这就使得：

1、在高速时，测量时 M0变大，可以获得较好的测量精度和平稳性

2、但在低速时（低到每个 T0内只有少数几个脉冲），此时算出的速度误差就会比较大，并且很不稳定。