編碼器原理與應用分析

趙映川

摘 要：編碼器是將被測機械量（如角度、長度等）轉化為計算機可用的數字量的重要工具。在機電及自動化系統中，編碼器在自動控制及自動測量等領域得到了廣泛的應用，其具有機構緊湊、重量輕、安裝方便、易維護等特點，而且精度高、反應快、工作可靠。文章具體闡述了編碼器的工作原理及應用現狀，并展望了其未來發展趨勢。

關鍵詞：編碼器；原理；應用

1 編碼器原理概述

編碼器是將信號（如比特流）或數據進行編制、轉換為可用于通信、傳輸和存儲的信號形式的設備。以其高精度、高分辨力、高可靠性被廣泛應用于各種位移測量。按照編碼器工作原理，可分為光電式、電磁式、電感式和電容式編碼器[1]。

1.1 光電編碼器

光電編碼器是目前應用最多的一種。它是通過光電轉換將機械量轉換成脈沖或數字量的傳感器。光電編碼器是由圓形碼盤和光電檢測裝置組成。碼盤上刻有環形透光和不透光的等間距狹縫，叫作碼道。旋轉軸與碼盤同軸同速旋轉，檢測裝置由發光二極管等電子元件組成，透過狹縫的脈沖信號經檢測裝置進行輸出，當前旋轉軸的角度信息可以通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數來反映[2]。

光電編碼器原理如圖1所示。

光電編碼器的分類有兩種，一種為增量式光電編碼器，一種是絕對式光電編碼器。

1.1.1 增量式光電編碼器

增量式光電編碼器是將一系列脈沖通過附加電路處理得到數字量的編碼器。光電編碼器的碼盤一般多用玻璃材料制成，玻璃表面鍍上一層不透光的金屬薄膜，然后在薄膜上刻制碼道，數量從幾百條到幾千條不等。這樣整個碼盤圓周被等分成n個透光的槽。

增量式光電編碼器分別由碼道輸出A相、B相和Z相三組方波脈沖，這個過程利用了光電轉換原理；A、B相用于判斷碼盤的旋轉方向，其脈沖數相同、相位差90度，而Z相則用于基準點定位，碼盤每一轉發出一個脈沖[3]。增量式光電編碼器的碼盤和信號輸出如圖2所示。

1.1.2 絕對式光電編碼器

絕對式編碼器是直接輸出數字量的編碼器。它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區組成，碼盤上的二進制數碼的位數是其碼道數，相鄰兩個碼道之間的扇區數目是二倍關系，光源在碼盤的一側，光敏元件在碼盤的另一側；碼盤不同位置的光敏元件根據是否收到光照轉換出相應的電平信號，形成二進制數。結構示意如圖3所示。

這種編碼器的特點是在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。一個編碼器如果具有N位二進制分辨率，其碼盤就一定要有N條碼道，碼道數量和分辨率成正比。因此，絕對式編碼器的精度取決于碼道的位數。圖3中（a）是編碼器主要結構的圖示，（b）是二進制碼和格雷碼碼盤的圖示。

由于輸出的是二進制數字碼，絕對式編碼器可與計算機直接連接而不需要其他數字轉換設備。

碼盤上透光、不透光的線條圖形是絕對式編碼器與增量式編碼器的不同之處。在相同的精度下，增量式編碼器的碼盤尺寸要比絕對式編碼器的小。增量式編碼器由于不能顯示角度坐標的絕對位置，因此，每次啟動都要歸零。絕對式編碼器可以直接讀出角度坐標的絕對值，并且電源切除后信息不會丟失[4]。

1.2 電磁編碼器

電磁編碼器主要由磁阻傳感器（霍爾原件）、充磁磁鼓（碼盤）、信號處理電路組成。其工作原理是利用磁阻或霍爾元件檢測角度和位移的變化。

因此，電磁編碼器電路的輸出信號和碼盤的旋轉是緊密相連的。通過測定輸出信號的周期數或周期時間就可知道磁鼓的位置和旋轉速度。電磁旋轉編碼器結構示意如圖4所示。

電磁式編碼器隨著光電式編碼器的發展而發展起來。光電式編碼器容易受到潮濕氣體和污染的影響。與之相比，電磁式編碼器是一種以磁敏感元件為基礎的檢測裝置，而且將多個元件精確地排列組合，構成具有新功能和多功能的器件，使其具有體積小、轉速高、成本低、抗干擾、抗沖擊、抗振動、不易受油污、水氣等外界因素影響的特點。因此，在工業生產、自動化控制方面的應用不斷擴大[5]。

1.3 電感式編碼器

電感式編碼器是利用電磁感應原理測量位移（線位移和角位移）的測量元件，把被測的物理量轉換成線圈感應系數的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現非電量到電量的轉換。

電感式編碼器由轉子和定子兩個碼盤組成。碼盤上敷有銅箔，用印刷、腐蝕等方法，在其盤面上刻制出平面形的繞組，繞組呈等間距扇形分布。轉子繞組為連續的扇形分布；定子繞組為分段的扇形分布，每段結構相同，每個分段繞組分為兩組，在相位上相差90度，又稱為正弦繞組和余弦繞組。如果連續繞組上加有激勵電信號時，正弦繞組與余弦繞組將產生感應電勢，電勢隨轉子的相對位置變化呈現正弦或余弦的信號變化，再將變化的信號檢測出后進行處理，就可以測出軸轉動的信息[6]。電感式編碼器結構如圖5所示。

電感式編碼器的工作狀態僅取決于磁通量的變化率。油污、粉塵、溫度等外界環境對它的干擾很小，信號的測量精度和分辨率高。由于轉子與定子間沒有機械接觸，因而使用壽命較長、抗震、抗沖擊性能好。基于以上諸多優點，電感式編碼器多用于精度要求高的回轉工作臺、慣性導航測試臺、天文望遠鏡以及高精度的機床和電機設備[7]。

1.4 容柵式編碼器

容柵式編碼器是在變面積型電容傳感器的基礎上，采用光柵原理設計出來的測量裝置。其原理是通過轉子與定子之間的相對運動對電場進行調制，并且檢測由此引起的耦合電容的變化來確定轉軸的位置。

容柵式編碼器由動柵和靜柵兩部分組成，都是采用精密印刷制成的電路板。動柵上印有發射極、接收極和屏蔽極，靜柵上印有反射極。容柵工作時，加在發射極上的周期激勵信號，經過發射極與反射極、反射極與接收極的兩次極間耦合，在接收極上形成測量信號，測量信號經過電路運算，計算出動柵與靜柵的相對位移[8]。圖6是容柵編碼器結構的圖示。

2 編碼器應用領域和現狀

自動化系統中電機的轉速、設備運行位置和行程的檢測等都是編碼器的實際應用。

目前編碼器應用的領域主要有：（1）機器人領域。為了確保機器人的協調運動或行走，需要通過編碼器對機器人的每個關節進行精準控制。（2）數控機床。數控機床在工作過程中需要利用編碼器來完成對電機X和Y 軸坐標的控制，組合刀架的換刀、對刀。（3）工程機械領域。編碼器廣泛應用于重新車輛及混合動力汽車的轉向助力系統和車輛速度監測器。（4）工業自動化控制生產線領域。為了確保工廠的自動化生產線的正常運行，需要精確的速度和方向信息。（5）風力發電領域。目前可再生資源發展最快的就是風電。編碼器主要用于發電機的變槳和偏航系統的測速、角度位移，同時用于檢測風速保證發電機的最大電力輸出，這是編碼器未來應用的巨大市場。（6）石油天然氣行業。石油天然氣行業是高危行業，需要較高可靠性、較好密封性的高標準編碼器，主要用于鉆臺電機、鉆臺和污泥泵的測速，加油機上的編碼器用于測流量、計量加油量。（7）電梯。電梯的速度調節和橋廂的位置控制都需要很精準的信號，編碼器可以在電梯控制上提供可靠精準的位置信號和速度信號，完成電梯的正常運轉。除了以上主要應用領域外，編碼器還廣泛應用于冶金、天文、印刷、造紙等傳統領域，應用范圍廣泛，應用前景長遠[9]。

3 編碼器的發展趨勢展望

隨著現代技術的發展，編碼器開始向小型化、智能化領域發展，并且測量更精確、適應性更強。首先，編碼器體積越來越小。縮小編碼器的發射元件、接受元件是為了編碼器能在更小的位置發揮它的作用。目前同位數的編碼器越來越小，許多新興的編碼方式的發明如矩陣式編碼方式、偽隨機碼編碼方式、游標式編碼方式等正是為了適應自動化控制領域的智能化、集成化。這些新的編碼方式縮小編碼器體積的同時，還為提高編碼器的智能化提供了基礎。其次，編碼器接口向智能化發展。差分電路、A/D轉換器以及EPROM器件組成了編碼器的接口電路，編碼器的接口電路將正弦信號轉換成參考脈沖信號、方波信號等，再傳輸給控制系統。接口電路的模塊智能化，可以有效提高編碼器的可靠性和獨立性，有效防止數據傳輸誤差。最后，編碼器測量精度提高。編碼器的精度通常由機械部分精度、碼盤劃分精度和信號處理電路綜合保證，提高編碼器精度需要采用先進的工藝來提高光電元件、碼盤以及電路的精度。

近年來國外研制出了基于圖像識別技術的編碼器。這是一種全新的絕對式光電編碼器，其以圖像處理技術為基礎，以往的基于莫爾條紋計數的計量原理被打破，位置信息通過采用計算圖像質心移動量的方式來獲得，最高可達27位分辨率。其目前已成功應用于精密制導傳感器、掃描反射鏡轉臺、干涉儀的掃描轉臺和六自由度平臺等項目中。

除此以外，編碼器的發展還向使用網絡化的信號傳輸技術、可編程編碼器技術、電磁兼容技術等方向迅速發展。編碼器是一種集光、電、機械技術為一體、具有廣泛用途的傳感器，隨著關鍵技術的突破和科學的迅猛發展，編碼器技術必將越來越完善，產品應用也越來越廣泛。

4 結語

目前，各種類型的編碼器廣泛用于測控、機床、工業機器人及其他許多技術領域。對編碼器測量精度和分辨率的要求不斷提高，促進了編碼器設計技術的改進和發展。本文闡述了編碼器的原理和分類，并分析了編碼器在機床、自動化控制、新能源開發等領域的應用現狀，最后探討了編碼器小型化、智能化的發展趨勢。未來，將不斷研制出更多的新型編碼器，編碼器的應用領域將更加廣泛，其工作的可靠性和精度也將不斷提高。本文對編碼器的工作原理以及應用現狀等進行具體論述，并對其未來發展趨勢進行了展望。