編碼器是如何實(shí)現(xiàn)定位功能的？

編碼器，作為工業(yè)控制中的關(guān)鍵部件，主要負(fù)責(zé)測(cè)量和報(bào)告電機(jī)軸或負(fù)載的當(dāng)前位置。然而，旋轉(zhuǎn)編碼器本身并不直接執(zhí)行定位操作，而是需要配合數(shù)控系統(tǒng)（如PLC等控制器）以及伺服或步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位。編碼器可以比作人的眼睛，它知道電機(jī)軸或負(fù)載當(dāng)前所處的位置。

圖為與測(cè)量輪配合測(cè)速使用的亨士樂(lè)增量編碼器照片

編碼器的工作原理

以光電編碼器為例，它通常包含一個(gè)薄而輕的圓盤(pán)（碼盤(pán)），該圓盤(pán)上通過(guò)精密儀器刻有許多細(xì)小的縫隙。這些縫隙將360度圓周細(xì)分為多個(gè)等份，比如1024組，這樣每組之間的角度差就是360/1024度=0.3515625度。

在碼盤(pán)的一面安裝有一個(gè)精密的發(fā)光源，而在另一面則配置有接收器，如光敏電阻等元件，并配有放大和整形電路。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有縫隙的地方會(huì)讓光線(xiàn)通過(guò)，此時(shí)接收器會(huì)瞬間接收到光脈沖。這些光脈沖經(jīng)過(guò)電路處理后，轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)輸出。這樣，當(dāng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，會(huì)對(duì)應(yīng)輸出1024個(gè)脈沖。通過(guò)讀取這些脈沖的個(gè)數(shù)，就可以確定碼盤(pán)（進(jìn)而電機(jī)軸）當(dāng)前所處的位置。

編碼器的應(yīng)用

電機(jī)軸位置檢測(cè)：將編碼器安裝在電機(jī)軸上，由于電機(jī)軸與碼盤(pán)是剛性連接的，因此兩者位置一一對(duì)應(yīng)。通過(guò)讀取編碼器輸出的脈沖數(shù)，就可以知道電機(jī)軸的當(dāng)前位置。
負(fù)載位置檢測(cè)：電機(jī)軸通常會(huì)通過(guò)同步帶、齒輪、鏈條等帶動(dòng)負(fù)載（如絲桿）運(yùn)動(dòng)。根據(jù)特定的電子齒輪比關(guān)系（即電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，絲桿前進(jìn)的毫米數(shù)），通過(guò)讀取編碼器輸出的脈沖數(shù)，可以反推出當(dāng)前絲桿的位置。

增量型編碼器與絕對(duì)值編碼器

增量型編碼器：為了解決編碼器無(wú)限旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致角度無(wú)窮大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了增量型編碼器。它會(huì)在每轉(zhuǎn)一圈時(shí)輸出三組信號(hào)ABZ。其中，AB相脈沖對(duì)應(yīng)一圈內(nèi)的圓周角度，且兩種脈沖處于正交狀態(tài)。通過(guò)判斷AB相脈沖的上升沿和下降沿的先后順序，可以確定編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。Z相脈沖作為基準(zhǔn)點(diǎn)，編碼器每轉(zhuǎn)一圈只輸出一個(gè)Z相脈沖。這樣，即使系統(tǒng)斷電重新上電，只要能找到這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，就可以確定絲桿的初始位置。
絕對(duì)值編碼器：對(duì)于只需要轉(zhuǎn)一圈或幾圈的應(yīng)用場(chǎng)景，可以使用絕對(duì)值編碼器。絕對(duì)值編碼器具有更高的細(xì)分精度，如13位編碼器可以輸出2^13個(gè)脈沖來(lái)對(duì)應(yīng)360度。這種編碼器在斷電后無(wú)需重新調(diào)整零位，因?yàn)槊}沖數(shù)與角度之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。對(duì)于需要轉(zhuǎn)多圈但圈數(shù)不多的應(yīng)用，絕對(duì)值編碼器同樣適用。

磁電編碼器

除了光電編碼器外，還有磁電編碼器。它通過(guò)在碼盤(pán)上加工多個(gè)南北間隔的小磁鐵，并使用霍爾元件讀取小磁鐵信號(hào)來(lái)輸出電脈沖信號(hào)。磁電編碼器價(jià)格較為便宜且可靠性高，但精度稍遜于光電編碼器。

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