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 16:56

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按输出信号分类
增量式编码器

增量式编码器是将设备运动时的位移信息变成连续的脉冲信号，脉冲个数表示位移量的大小。其特点如下：

1、只有当设备运动时才会输出信号。

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2、一般会输出通道A和通道B 两组信号，并且有90° 的相位差（1/4个周期），同时采集这两组信号就可以计算设备的运动速度和方向。

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如下图，通道A和通道B的信号的周期相同，且相位相差1/4个周期，结合两相的信号值：

1、当B相和A相先是都读到高电平（1 1），再B读到高电平，A读到低电平（1 0），则为顺时针转

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2、当B相和A相先是都读到低电平（0 0），再B读到高电平，A读到低电平（1 0），则为逆时针转

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3、除通道A、通道B 以外，还会设置一个额外的通道Z 信号，表示编码器特定的参考位置

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如下图，传感器转一圈后Z 轴信号才会输出一个脉冲，在Z轴输出时，可以通过将AB通道的计数清零，实现对码盘绝对位置的计算。

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增量式编码器只输出设备的位置变化和运动方向，不会输出设备的绝对位置。

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绝对式编码器

绝对式编码器在总体结构上与增量式比较类似，都是由码盘、检测装置和放大整形电路构成，但是具体的码盘结构和输出信号含义不同。

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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）。