伺服電機編碼器原理及編碼器分類

伺服電機編碼器原理

伺服編碼器這個基本的功能與普通編碼器是一樣的，比如增量型的有A,A反，B，B反，Z，Z反等信號，除此之外，伺服編碼器還有著跟普通編碼器不同的地方，那就是伺服電機多數(shù)為同步電機，同步電機啟動的時候需要知道轉(zhuǎn)子的磁極位置，這樣才能夠大力矩啟動伺服電機，這樣需要另外配幾路信號來檢測轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，比如增量型的就有UVW等信號，正因為有了這幾路檢測轉(zhuǎn)子位置的信號，伺服編碼器顯得有點復(fù)雜了，以致一般人弄不懂它的道理了，加上有些廠家故意掩遮一些信號，相關(guān)的資料不齊全，就更加增添了伺服電機編碼器的神秘色彩。

由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。

分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。

伺服電機編碼器分類

1、增量型編碼器

除了普通編碼器的ABZ信號外，增量型伺服編碼器還有UVW信號，目前國產(chǎn)和早期的進(jìn)口伺服大都采用這樣的形式，線比較多。

2、絕對值型伺服電機編碼器

增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動，當(dāng)來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計數(shù)設(shè)備記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。

解決的方法是增加參考點，編碼器每經(jīng)過參考點，將參考位置修正進(jìn)計數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點，開機找零等方法。

比如，打印機掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理，每次開機，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點，然后才工作。

這樣的方法對有些工控項目比較麻煩，甚至不允許開機找零(開機后就要知道準(zhǔn)確位置)，于是就有了絕對編碼器的出現(xiàn)。

絕對型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，因其每一個位置絕對唯一、抗干擾、無需掉電記憶，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制。

絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線。。。。。。編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼(格雷)，這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

絕對編碼器由機械位置決定的每個位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

由于絕對編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于伺服電機上。絕對型編碼器因其高精度，輸出位數(shù)較多，如仍用并行輸出，其每一位輸出信號必須確保連接很好，對于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來諸多不便和降低可靠性，因此，絕對編碼器在多位數(shù)輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出，德國生產(chǎn)的絕對型編碼器串行輸出最常用的是SSI(同步串行輸出)。

從單圈絕對式編碼器到多圈絕對式編碼器旋轉(zhuǎn)單圈絕對式編碼器，以轉(zhuǎn)動中測量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動超過360度時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對式編碼器。如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360度范圍，就要用到多圈絕對式編碼器。

編碼器生產(chǎn)廠家運用鐘表齒輪機械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動另一組碼盤(或多組齒輪，多組碼盤)，在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。

多圈編碼器另一個優(yōu)點是由于測量范圍大，實際使用往往富裕較多，這樣在安裝時不必要費勁找零點，將某一中間位置作為起始點就可以了，而大大簡化了安裝調(diào)試難度。多圈式絕對編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯，目前歐洲新出來的伺服電機基本上都采用多圈絕對值型編碼器。

3、正余弦伺服電機編碼器

由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差(相對于一個周波為360度)，將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號;另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。

普通的正余弦編碼器具備一對正交的sin，cos 1Vp-p信號，相當(dāng)于方波信號的增量式編碼器的AB正交信號，每圈會重復(fù)許許多多個信號周期，比如2048等;以及一個窄幅的對稱三角波Index信號，相當(dāng)于增量式編碼器的Z信號，一圈一般出現(xiàn)一個;這種正余弦編碼器實質(zhì)上也是一種增量式編碼器。另一種正余弦編碼器除了具備上述正交的sin、cos信號外，還具備一對一圈只出現(xiàn)一個信號周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信號，如果以C信號為sin，則D信號為cos，通過sin、cos信號的高倍率細(xì)分技術(shù)，不僅可以使正余弦編碼器獲得比原始信號周期更為細(xì)密的名義檢測分辨率，比如2048線的正余弦編碼器經(jīng)2048細(xì)分后，就可以達(dá)到每轉(zhuǎn)400多萬線的名義檢測分辨率，當(dāng)前很多歐美伺服廠家都提供這類高分辨率的伺服系統(tǒng)，而國內(nèi)廠家尚不多見;此外帶C、D信號的正余弦編碼器的C、D信號經(jīng)過細(xì)分后，還可以提供較高的每轉(zhuǎn)絕對位置信息，比如每轉(zhuǎn)2048個絕對位置，因此帶C、D信號的正余弦編碼器可以視作一種模擬式的單圈絕對編碼器。 9 g0 n9

正余弦伺服電機編碼器的優(yōu)點是不用采用高頻率的通訊即可讓伺服驅(qū)動器獲得高精度的細(xì)分，這樣降低了硬件要求，同是由于有單圈角度信號，可以讓伺服電機啟動平穩(wěn)，啟動力矩大。

伺服電機編碼器使用注意的事項

(1)安裝

安裝時不要給軸施加直接的沖擊。

伺服電機編碼器軸與機器的連接，應(yīng)使用柔性連接器。在軸上裝連接器時，不要硬壓入。即使使用連接器，因安裝不良，也有可能給軸加上比允許負(fù)荷還大的負(fù)荷，或造成撥芯現(xiàn)象，因此，要特別注意。

軸承壽命與使用條件有關(guān)，受軸承荷重的影響特別大。如軸承負(fù)荷比規(guī)定荷重小，可大大延長軸承壽命。

不要將編碼器進(jìn)行拆解，這樣做將有損防油和防滴性能。防滴型產(chǎn)品不宜長期浸在水、油中，表面有水、油時應(yīng)擦拭干凈。

(2)振動

加在編碼器上的振動，往往會成為誤脈沖發(fā)生的原因。因此，應(yīng)對設(shè)置場所、安裝場所加以注意。每轉(zhuǎn)發(fā)生的脈沖數(shù)越多，旋轉(zhuǎn)槽圓盤的槽孔間隔越窄，越易受到振動的影響。在低速旋轉(zhuǎn)或停止時，加在軸或本體上的振動使旋轉(zhuǎn)槽圓盤抖動，可能會發(fā)生誤脈沖。

(3)關(guān)于配線和連接

1 配線應(yīng)在電源OFF狀態(tài)下進(jìn)行，電源接通時，若輸出線接觸電源，則有時會損壞輸出回路。

2 若配線錯誤，則有時會損壞內(nèi)部回路，所以配線時應(yīng)充分注意電源的極性等。

3 若和高壓線、動力線并行配線，則有時會受到感應(yīng)造成誤動作成損壞，所以要分離開另行配線。

4 延長電線時，應(yīng)在10m以下。并且由于電線的分布容量，波形的上升、下降時間會較長，有問題時，采用施密特回路等對波形進(jìn)行整形。

5 為了避免感應(yīng)噪聲等，要盡量用最短距離配線。向集成電路輸入時，特別需要注意。

6 電線延長時，因?qū)w電阻及線間電容的影響，波形的上升、下降時間加長，容易產(chǎn)生信號間的干擾(串音)，因此應(yīng)用電阻小、線間電容低的電線(雙絞線、屏蔽線)。

審核編輯：湯梓紅