编码器的基础及应用

所谓的编码器有什么作用？

检测出旋转运动或者水平运动机械的移动方向、移动量、角度。

确实，编码器只是一个很小的部件。但是它可能用在大家想都没想过的机器上。在现在，我们都很清楚编码器是同电机结合使用的。世间有千百万种可能性，编码器同电机结合使用也仅仅是沧海一粟，它还有更多你所意想不到应用。

此次我们就讲一讲“从编码器的基础到应用”，来介绍编码器所隐藏的魅力。这次介绍共分为四个栏目，第一栏目：粗略介绍编码器并介绍编码器应用案例。第二以及第三栏目：将详细介绍编码器的工作原理及其特征。虽然是言简意赅，但也说明几个工作原理以及输出形态。让我们对编码器能够有一个整体认识，根据其种类清楚优缺点，可以容易分辨出其特征。第四栏目：我们回归到最初的话题，编码器有什么其他用途。介绍编码器的实际应用案例。

我们身边的无名英雄

熟悉运动控制的各位对编码器都是耳熟能详的。但是对于尚未接触过编码器的人来说，编码器是比较陌生的。所以小编就以日常生活中我们都乘坐的电梯为例来介绍编码器的作用。在介绍之前，我们先想象一下我们坐电梯的过程。我们按下“△▽”按钮，不过一会电梯便到我们的楼层然后自动打开门，随后我们进入电梯。进入电梯后，我们按下对应楼层的按钮。电梯门自动关闭，将我们载送至对应楼层，电梯门又再次打开。

在这一连串的过程背后，其实有两个编码器发挥着重要作用。不知道你是否察觉到了？首先，第一个编码器进行电机控制使电梯运动。因为电梯是通过电机旋转进行上下运动，所以只要清楚旋转方向，就可以判别电梯是上升还是下降。另外，编码器可以检测出电机的移动量（旋转圈数)，这样一来便可以清楚电梯究竟移动了多少量。通过电梯控制盘运用这些编码器提供的信息，可以让电梯快速且平稳地到指定楼层。

另一个编码器则是控制电梯门自动开闭的电机。我们经常看电梯的开闭，就很清楚其背后是有着细腻而精密的控制。电梯门打开的时机，以及最后闭合的时机都十分准确。在电梯门打开的过程中可以加快电梯门运行，实现时间缩短。通过编码器正确把握电机运动，并加以控制，就可以实现丝一般柔顺的动作。

当初电梯出现在人们视野的时候，编码器尚未普及。上述的编码器工作全部由人来完成。当初还没有“△▽”按钮，都是用铃声。我们看民国时期的电影可能就能见到这一幕，上海滩大佬进入电梯，电梯中的服务生根据铃声拉下闸门，让电梯抵达对应楼层。但是在现在，由于测定电机的旋转方向以及转数量的编码器的应用，电梯变得越来越便利再也不用像之前一样用人工来操作了。

编码器的结构是什么？

那么如何使用编码器才能知道“旋转方向”，“旋转位置”，“旋转速度”呢？本次就用透光型编码器做一个简要说明。透光型编码器主要由四部分结构构成——①LED发光素子；②透镜；③码盘；④受光IC。

首先LED发光素子的光是错乱光。通过透镜将光集中在一起并转化成平行光。码盘上等分地开通若干个长方形孔（有通光也有不通光）。射到受光IC上的发光二极管等电子元件上，通过信号转换电子部进行处理，最后输出“A相”，“B相”两种方波。

A相同B相的相位关系是世界通用的，B相同A相相差1/4周期输出。通过处理A相与B相这两种编码器输出，就能够清楚电机的旋转方向，旋转位置以及旋转速度。那么下面我们就讲讲如何将他们检测出来的。

旋转方向的检测

通过检测A，B相的出现先后顺序，可以判别旋转轴的旋转方向。比如说编码器码盘顺时针旋转的时候，B相会比A相晚出现。如果码盘逆时针旋转时，B相就会先于A相出现。这样的结构不单单可以用来判别旋转方向可以用来判别水平驱动时的移动方向。

旋转位置的检测

码盘（光栅盘）是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。在这里我们家测一周有360个长方形孔。因为每个长方形孔输出一个脉冲信号，所以可以检测出每个脉冲相同于一度的旋转位置。如果1周有3600个长方形孔的话，同理可以检测出0.1度的角度。

旋转速度的检测

测出编码器输出的脉冲频率和编码器分辨率，再根据下方公式很容易就能算出编码器的速度。

转速（r/min）=（脉冲频率/分辨率）*60

灵活运用编码器就可以控制电机的旋转方向、旋转位置、旋转速度。还是用之前提到的电梯那个例子，如图4微处理器发出控制信号驱动电机，安装在电机轴上的编码器输出信号。之后用编码器计数器处理编码器输出，同微处理器的控制信号进行差动比较。通过比较驱动电机的控制信号和电机旋转的结果，只向电机提供目标转数所需要的电量。在这种封闭结构中进行比较演算的形态，我们称之为闭合回路（闭环）。

实现高精度运行

讲到这里想必大家对编码器的运行已经有了大致了解。那么现在我们回归到编码器的其他应用上。

如果有人问你编码器是干什么的啊？最简单的答案就是测出旋转或移动物体的移动方向、移动量、角度。因此一般情况下提及编码器的应用，我们可以举出用电机驱动的机器。

不过这样说的话，似乎范围太过广泛了。换个更加精准的说法，高精度运行的机械设备。像电风扇这种家电，用无刷电机也不会有什么问题，也就没有必要使用编码。与此相反，工业机器人、AGV、模组等各种工业设备，由于高精度运作的要求，编码器在这些设备被广泛应用。

除此之外，文章开头介绍的电梯，对自身运动有着高要求的设备也会用到编码器。近些年在混合动力汽车以及电动汽车上，编码器的应用也越来越广泛。

有电机的地方就有编码器

有没有意识到目前所介绍的编码器应用全部都跟电有关？进行旋转或水平运动，除了用电作为动力源的电机驱动之外，用油压、气压作为驱动方式也是有的。但是这些油压和气压装置，基本上没有使用编码器。

为什么呢？首先，电机的话通过电源开关的控制，可以马上开启或停止运动。通过控制电机电压和频率，可以轻易改变转数。因为这些动作都有着高应答，通过编码器可以对电机进行高精度且迅速的控制。

用油压作为动力源的话，油压上升是需要时间的（例如螺旋桨），也就无法像电机那样用编码器进行控制。不单单是螺旋桨开始运动的时候，如果要改变转数时，螺旋桨无法马上响应，只能够慢慢变化。这是由于驱动螺旋桨运动的油压受油的黏性、管道阻力所限制。油压的变化以及螺旋桨转数滞后，使得用编码器测定转数进行控制变得异常困难。气压设备同理。

现在小编就将编码器的使用案例分为两类同大家分享。

“现在之前的使用案例”，“最近才有的使用案例”

现在之前的应用案例

与步进电机组合“检测丢步”

步进电机向绕组输入脉冲电流，旋转脉冲对应的运动角度。因此，即便没有反馈控制，基本上电机的旋转方向和旋转角度，控制器都可以识别的。但是如果发生什么故障的话，用脉冲电流无法运动，控制器同实际运动之间就有存在误差。如果应用场合需求高精度，误差发生时，为了检测出误差并用驱动器进行求证，就需要搭载编码器。

工作平台X-Y驱动台的位置检测

对搭载工件的驱动台进行X轴-Y轴（水平方向）的移动控制会使用到编码器。例如，NC铣刀盘和放电加工机，它们往往要求几μm--十几μm的精度。为了实现这一点，编码器往往要达到需求精度十倍。编码器的使用环境如果是切削加工的话，会受到切削粉、切削油、振动影响，如果使用环境是放电加工的话，会受到电波干扰。在这种严峻的使用环境中，对编码器分辨率的要求是极高的。

喷墨打印机的印刷控制

喷墨打印机的墨头动作控制也会用到编码器。“蓝色”、“深红色”、“黑色”等颜色，在什么时候印刷，这种控制信号由编码器产生。另外水平方向的印刷结束后，移动纸张印刷其他区域，这个时候也是用编码器控制旋转筒移动纸张。

最近才有的应用案例

步进电机的降低功耗

现在的步进电机运行一般都是用最大电流进行运行。这是为了防止之前提到的“丢步”。另外，为了防止停止时让电机随意旋转，需用励磁电流。因此不管电机动与不动都需要通电，所以很难实现低能耗。

装上编码器，不仅可以监控电机运行时丢步情况，更可以监视编码器提供的电机负荷反馈信号，这样一来便使只提供需要的电流成为可能。另外，电机停止时，通过监视编码器信号，可以做到削减整体消费电流。

工业阀门旋转部分的控制

各种配管都会配备阀门。也会有用电机驱动进行阀门旋转控制的产品。但是受使用环境的影响，光学式的编码器是无法采用的。但是，磁编比光编更适应恶劣环境，体积小更容易安装。因此适用于工业阀门。

这里讲的编码器应用都是同电机相结合的应用，现在广泛使用的油压以及气压设备并不会消失。但是越来越多的领域开始将电机作为首选。众所周知油压与气压的优势在于能够提供强大的动力，但是随着技术的进步，采用电机也变得越来越多。这样一来，编码器的应用也会越来越广泛。