劉濤

摘 要：文章通過(guò)對(duì)目前市場(chǎng)中常用編碼器的結(jié)構(gòu)、原理、分類的闡述，對(duì)編碼器的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了具體的論述，并對(duì)編碼器的控制精度對(duì)編碼器的重要性進(jìn)行了探討，最后對(duì)編碼器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，為編碼器的推廣應(yīng)用提供了支撐。

關(guān)鍵詞：編碼器；應(yīng)用現(xiàn)狀；絕對(duì)值型；增量型

引言

在機(jī)電一體化迅速發(fā)展的今天，傳感器作為信息反饋裝置，對(duì)由計(jì)算機(jī)、信息反饋機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的開、閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度有著極為重要的影響，而編碼器是將數(shù)字化信息轉(zhuǎn)化成角度、長(zhǎng)度等可執(zhí)行變量的重要工具，如通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將傳感器測(cè)得機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖量或數(shù)字量，旋轉(zhuǎn)編碼器將角度、轉(zhuǎn)速等物理量轉(zhuǎn)化成數(shù)字脈沖電信號(hào)。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，編碼器具有機(jī)構(gòu)緊湊、安裝方便、重量輕、維護(hù)容易的特點(diǎn)，而且工作可靠、精度高、反應(yīng)快，在自動(dòng)測(cè)量以及自動(dòng)控制等自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文章對(duì)編碼器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及應(yīng)用現(xiàn)狀的具體論述，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，為編碼器的推廣應(yīng)用提供了支持。

1 編碼器的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 編碼器的種類及原理

編碼器通常由光柵盤和光電檢測(cè)裝置兩部分組成，其工作原理為：光柵盤在圓板上均勻的開通固定個(gè)數(shù)的長(zhǎng)方形孔，工作時(shí)圓盤旋轉(zhuǎn)，電子檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出的脈沖信號(hào)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)化變量的目的。編碼器按照信號(hào)的原理可以分為絕對(duì)值型編碼器和增量型編碼器，按照測(cè)量方式的不同可以分為行程編碼器和角度測(cè)量編碼器，下面對(duì)其進(jìn)行具體的分析和闡述。

增量型編碼器將位移變量轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再將這些電信號(hào)轉(zhuǎn)化成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小并傳輸給計(jì)算機(jī)。其工作過(guò)程是：在中心有軸的光電碼盤上面有環(huán)形通、暗的刻線，光電碼盤的一側(cè)有光電發(fā)射設(shè)備，另外一側(cè)有接收檢測(cè)器件，光電盤會(huì)隨著被測(cè)量的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化，從而達(dá)到測(cè)量速度、旋轉(zhuǎn)方向、移動(dòng)角度及相對(duì)距離的目的。增量型編碼器在使用過(guò)程中仍然有一定的缺陷，主要是因?yàn)樵隽啃途幋a器記錄初始位置要依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶，一旦發(fā)生斷電或者外部干擾導(dǎo)致脈沖丟失，編碼器的零點(diǎn)就會(huì)發(fā)生偏移，而且偏移量無(wú)法通過(guò)計(jì)算獲得，更無(wú)法進(jìn)行自我修正，只有出現(xiàn)了過(guò)于明顯的錯(cuò)誤結(jié)果才能知道。目前解決這種誤差問(wèn)題的方法只有增加零點(diǎn)參考點(diǎn)的數(shù)目，編碼器經(jīng)過(guò)每一個(gè)參考點(diǎn)都可以進(jìn)行修正零點(diǎn)的位置，但在進(jìn)行修正之前仍然無(wú)法保證位置的準(zhǔn)確性，尤其在遭到持續(xù)的間歇性干擾，其錯(cuò)誤的程度更大。因此，增量型編碼器目前存在著零點(diǎn)累計(jì)誤差、停機(jī)斷電記憶消失、開機(jī)需重新找零以及抗干擾功能較差等問(wèn)題，而另一種編碼器-絕對(duì)值型編碼器都可以解決。

絕對(duì)值型編碼器的基本結(jié)構(gòu)與增量型編碼器類似，由發(fā)射元件、檢測(cè)元件、固定光柵和旋轉(zhuǎn)光柵等構(gòu)件組成。在編碼器工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)光柵隨被測(cè)元件的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，發(fā)射元件發(fā)射出的平行光束射在光碼盤上，與光碼盤另一側(cè)的檢測(cè)元件相耦合。絕對(duì)值編碼器與增量型編碼器的區(qū)別在于前者有許多道光通道刻線，每一道刻線都有自己的編排碼，如2線、4線…16線編排，在讀取時(shí)每道刻度線都可以形成一組二進(jìn)制編碼，總共2的n-1次方個(gè)二進(jìn)制編碼，稱為n位絕對(duì)值編碼。

絕對(duì)值編碼器采取這種多個(gè)對(duì)照的方式，避免了增量型編碼器的缺陷，可以直接輸出數(shù)字信號(hào)，在測(cè)量角度、距離等物理量時(shí)，不需要計(jì)數(shù)器，在有電氣噪聲或振動(dòng)的惡劣環(huán)境下同樣可以使用，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其位置取決于光碼盤的機(jī)械位置，無(wú)需記憶和參考點(diǎn)，也不必回到原點(diǎn)，不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，抗干擾性和可靠性極強(qiáng)。絕對(duì)值型編碼器又分為單圈絕對(duì)值型編碼器和多圈絕對(duì)值型編碼器，前者旋轉(zhuǎn)一圈就會(huì)回到原點(diǎn)，多用于360°范圍以內(nèi)的角度測(cè)量，后者增加了圈數(shù)的編碼，擴(kuò)大了編碼器的測(cè)量范圍，可用于大角度或長(zhǎng)度定位，目前已經(jīng)在許多工控定位中應(yīng)用。

1.2 編碼器的應(yīng)用

編碼器在工程實(shí)際應(yīng)用中，通常有檢測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)速、設(shè)備運(yùn)行位置和行程的作用，按用途可分為測(cè)速編碼器和行程編碼器兩種。目前編碼器主要應(yīng)用以下領(lǐng)域：（1）機(jī)床。機(jī)床在工作過(guò)程中的X、Y軸給電機(jī)的控制，刀架的換刀、對(duì)刀，主軸旋轉(zhuǎn)等都需要使用編碼器；（2）電梯。電梯的速度調(diào)節(jié)和轎廂的位置控制都需要很精準(zhǔn)的信號(hào)，編碼器可以在電梯控制上提供可靠精準(zhǔn)的位置信號(hào)和速度信號(hào)，完成電梯的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；（3）風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。風(fēng)電是目前發(fā)展最快的可再生資源，編碼器主要用于發(fā)電機(jī)和變槳和偏航系統(tǒng)的測(cè)速、角度位移，同時(shí)用于檢測(cè)風(fēng)速，保證發(fā)電機(jī)的最大電力輸出，是編碼器未來(lái)最大的市場(chǎng)；（4）工業(yè)自動(dòng)化控制生產(chǎn)線領(lǐng)域。工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)線需要精確的速度和方向信息保證電機(jī)正常運(yùn)行；（5）工程機(jī)械領(lǐng)域。大型工程機(jī)械對(duì)可靠的速度和位置檢測(cè)的需求越來(lái)越高，尤其在重型車輛行業(yè)，編碼器廣泛用于電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)、車輛速度檢測(cè)器以及混合動(dòng)力汽車；（6）石油天然氣行業(yè)。石油天然氣行業(yè)是高危行業(yè)，需要較高可靠性、較好密封性的高標(biāo)準(zhǔn)編碼器，主要用于鉆臺(tái)電機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和污泥泵的測(cè)速，如加油機(jī)上的編碼器用于測(cè)流量、計(jì)量加油量；（7）矢量電機(jī)和伺服電機(jī)。矢量電機(jī)和伺服電機(jī)可以在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行速度、轉(zhuǎn)矩以及位置控制都要依賴電機(jī)輸出軸上的編碼器；（8）機(jī)器人領(lǐng)域。機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)都需要精確的控制，以保證整個(gè)機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)或行走，所以每個(gè)關(guān)節(jié)都需要一個(gè)編碼器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

除了以上領(lǐng)域是編碼器的主要應(yīng)用領(lǐng)域外，編碼器還廣泛應(yīng)用于造紙、印刷、冶金、天文等傳統(tǒng)領(lǐng)域，具有非常廣泛的應(yīng)用范圍和長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。

1.3 編碼器的發(fā)展趨勢(shì)展望

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，編碼器開始向小型化、智能化以及測(cè)量更精確、適應(yīng)性更強(qiáng)的領(lǐng)域發(fā)展。首先，編碼器向著體積更小的方向發(fā)展，隨著技術(shù)的發(fā)展，編碼器需要在更小的位置發(fā)揮它的作用，所以縮小編碼器的發(fā)射元件、接收元件成為必然，目前相同位數(shù)的編碼器越來(lái)越小，而且為了適應(yīng)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的智能化、集成化的需求，發(fā)明了許多新型的編碼方式，如：矩陣式編碼方式、偽隨機(jī)碼編碼方式、游標(biāo)式編碼方式等，這些新的編碼方式不僅減小了編碼器的體積，還為提高編碼器的智能化提供了很好的基礎(chǔ)；其次編碼器的接口向智能化發(fā)展，編碼器的接口電路通常由差分接收電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及EPROM器件組成，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成參考脈沖信號(hào)、方波信號(hào)等，傳輸給控制系統(tǒng)，將接口電路模塊智能化，可以有效的提高編碼器的可靠性和獨(dú)立性，有效地防止數(shù)據(jù)傳輸誤差，保證精確度；另外，編碼器的測(cè)量準(zhǔn)確度進(jìn)一步發(fā)展，編碼器的精度通常由機(jī)械部分精度、碼盤劃分精度和信號(hào)處理電路綜合保證，采用先進(jìn)的工藝手段，提高光電元件、碼盤以及電路的精度是提高編碼器精度的重要手段，從而提高車床等需要高精度軸系編碼器的測(cè)量精度。

除此之外，編碼器的發(fā)展還向使用網(wǎng)絡(luò)化的信號(hào)傳輸、可編程編碼器技術(shù)、電磁兼容技術(shù)等方向迅速發(fā)展。編碼器是一種集光、電、機(jī)械技術(shù)為一體、具有廣泛用途的傳感器，隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破和科學(xué)的迅猛發(fā)展，編碼器技術(shù)必將越來(lái)越完善，產(chǎn)品應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

2 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)編碼器的原理和分類進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并對(duì)編碼器在機(jī)床、電梯、自動(dòng)化控制、新能源開發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了具體的分析，最后對(duì)編碼器小型化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討，為編碼器的推廣應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的支持。

參考文獻(xiàn)

[1]湯天瑾，曹向群，林斌.光電軸角編碼器發(fā)展現(xiàn)狀分析與展望[J].光學(xué)儀器，2005，27（1）：90-96.

[6]楊俊志.單碼道絕對(duì)式角度編碼器的編碼及解碼原理[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（4）增：139-141.

[2]馬凈，王峰，李曉光，等.編碼器原理及應(yīng)用[J].中國(guó)儀器儀表，2002，05（05）43-45.endprint