旋轉(zhuǎn)編碼器的類型區(qū)別與應(yīng)用選擇

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的常用解決方案，適用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的速度、運(yùn)動(dòng)方向或位置。旋轉(zhuǎn)編碼器分為多種不同的類型，最主要的兩種類型是絕對(duì)編碼器和增量編碼器。它們的工作原理分別如何？有哪些區(qū)別？如何為應(yīng)用選擇適合的類型？

編碼器工作原理

顧名思義，絕對(duì)編碼器會(huì)直接輸出正在測(cè)量的軸的確切位置。每個(gè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)都具有唯一的位置值或數(shù)據(jù)字，并在隨軸一起旋轉(zhuǎn)的碼盤上編碼。碼盤上唯一代碼的數(shù)量決定了位置的表示精度。編碼器一旦開(kāi)啟，便立即使用光學(xué)、電容式或磁性傳感器讀取代碼，并生成有效的輸出。而且，無(wú)需建立參考點(diǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)軸，傳感器便能確定位置，并且即便編碼器臨時(shí)掉電，也能持續(xù)跟蹤位置。

圖 1：絕對(duì)編碼器的碼盤為每個(gè)位置提供唯一代碼，從而實(shí)現(xiàn)有效的即時(shí)輸出，并確定編碼器的分辨率。（圖片來(lái)源：CUI, Inc.）

編碼器的分辨率以位表示，對(duì)應(yīng)于一圈內(nèi)的唯一數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)量。絕對(duì)編碼器可分為單圈和多圈兩種類型，其中單圈版本提供一整圈 (360°) 的位置數(shù)據(jù)，并且在軸的每一圈旋轉(zhuǎn)中重復(fù)提供。多圈類型包含一個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器，能讓編碼器不僅輸出軸位置，還能輸出圈數(shù)。

下面是增量編碼器：根據(jù)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的脈沖來(lái)工作。輸出通常是兩個(gè)相位差為 90° 的方波，并且需要額外的電路對(duì)這些脈沖進(jìn)行跟蹤或計(jì)數(shù)。

圖 2：增量編碼器產(chǎn)生具有 90° 相位差的脈沖波形。（圖片來(lái)源：CUI, Inc.）

增量編碼器的分辨率以每轉(zhuǎn)脈沖數(shù) (PPR) 表示，相當(dāng)于任一方波輸出的高脈沖數(shù)。您可以閱讀 CUI 關(guān)于 PPR 的博客文章，了解有關(guān)此主題的更多信息。

通過(guò)仔細(xì)觀察圖 2，您會(huì)發(fā)現(xiàn)其中只有四個(gè)不同的重復(fù)輸出狀態(tài)。因此，增量編碼器必須以已知的固定位置為參考，才能提供有意義的位置信息。這個(gè)“起始”位置就是編碼器的索引脈沖。然后通過(guò)跟蹤旋轉(zhuǎn)中相對(duì)索引脈沖的增量變化，來(lái)計(jì)算軸的絕對(duì)位置。每次開(kāi)啟編碼器時(shí)，或在臨時(shí)掉電之后，都必須執(zhí)行此參照過(guò)程，因此軸必須處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)才能獲得位置信息。這一過(guò)程獲取位置信息的速度不及絕對(duì)編碼器，因?yàn)楹笳邿o(wú)需初始旋轉(zhuǎn)。

絕對(duì)式還是增量式：選擇標(biāo)準(zhǔn)

絕對(duì)編碼器比增量編碼器更加復(fù)雜，因而價(jià)格通常也更昂貴。雖然兩者的價(jià)格差距正逐漸縮小，但增量編碼器通常更適合簡(jiǎn)單的速度、方向或相對(duì)位置監(jiān)控。另一方面，在某些情況下，絕對(duì)編碼器是更好的選擇。

絕對(duì)編碼器的主要優(yōu)勢(shì)是，它會(huì)維護(hù)軸的位置，因此可以即時(shí)獲取位置數(shù)據(jù)，而無(wú)需等待完成起始或校準(zhǔn)序列。這使得系統(tǒng)能夠更快地啟動(dòng)，或者從電源故障中恢復(fù)，即便在編碼器關(guān)閉期間軸位置已發(fā)生變化。

還有一種情況需要選擇絕對(duì)編碼器，即啟動(dòng)時(shí)，在任何機(jī)構(gòu)激活或移動(dòng)之前需要立即獲得位置信息。例如，如果從起始位置沿錯(cuò)誤的方向旋轉(zhuǎn)軸，可能會(huì)損壞設(shè)備或?qū)τ脩粼斐晌ｋU(xiǎn)。

此外，由于絕對(duì)編碼器能實(shí)時(shí)提供真實(shí)的位置，因此數(shù)字系統(tǒng)可通過(guò)中央通信總線輪詢編碼器，以最小的延遲捕捉位置。使用增量編碼器來(lái)持續(xù)跟蹤位置難度更大，因?yàn)樗ǔＰ枰獠侩娐?，使用正交解碼跟蹤所有脈沖，這會(huì)增加主機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)銷，尤其在必須監(jiān)控多個(gè)編碼器的情況下更是如此。

圖 3：絕對(duì)編碼器為每個(gè)碼盤位置生成唯一數(shù)碼“字”，相當(dāng)于我們所說(shuō)的分辨率。（圖片來(lái)源：CUI, Inc.）

另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，使用絕對(duì)編碼器有助于減少系統(tǒng)受到的電氣噪聲干擾。與采用脈沖計(jì)數(shù)的增量編碼器不同，絕對(duì)編碼器允許系統(tǒng)從二進(jìn)制輸出，或以數(shù)字方式從串行總線讀取經(jīng)過(guò)錯(cuò)誤校驗(yàn)的代碼，以便計(jì)算位置。

此外，在同一個(gè)系統(tǒng)中組合多個(gè)絕對(duì)編碼器，也比增量編碼器更簡(jiǎn)單。典型示例包括工廠自動(dòng)化或多軸機(jī)器人。監(jiān)控多個(gè)增量編碼器的輸出可能變得非常復(fù)雜，需要很高的處理能力，而從絕對(duì)編碼器讀取的信息更易于解釋，特別是當(dāng)它們連接到同一條中央通信總線時(shí)。

絕對(duì)編碼器的機(jī)遇

現(xiàn)在，您應(yīng)該大致了解了絕對(duì)編碼器和增量編碼器之間的主要差別。下面我們介紹一些通常使用絕對(duì)編碼器的應(yīng)用領(lǐng)域。

其中，機(jī)器人是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域。它正在滲透到醫(yī)療領(lǐng)域的眾多部門，例如遠(yuǎn)程手術(shù)需要依賴大量的精確位置信息來(lái)監(jiān)視和控制手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械臂，另外還有眾多工業(yè)使用案例，如自動(dòng)裝配、焊接、涂料噴涂等更多。展望未來(lái)，家庭助理機(jī)器人的前景尤其令人興奮，它將受益于絕對(duì)編碼器所提供的速度和易用性。

隨著企業(yè)持續(xù)尋求數(shù)字化轉(zhuǎn)型，增量編碼器和絕對(duì)編碼器之間的價(jià)格差異日漸縮小，絕對(duì)編碼器的應(yīng)用幾乎層出不窮。在消費(fèi)市場(chǎng)，絕對(duì)編碼器也有很多機(jī)會(huì)。無(wú)論是用于控制自動(dòng)門、攝像機(jī)萬(wàn)向架等機(jī)構(gòu)，還是用于智能 HVAC 控制、工廠自動(dòng)化或電動(dòng)車子系統(tǒng)，絕對(duì)編碼器都為設(shè)備設(shè)計(jì)師提供了高性能且成本日益合理的選擇。

工程師提供位置反饋的首選器件

絕對(duì)編碼器和增量編碼器在性能、價(jià)格和用戶體驗(yàn)方面存在差異，這意味著對(duì)于任何新產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，選擇適當(dāng)類型的編碼器都是至關(guān)重要的。隨著價(jià)格差距的縮小，技術(shù)的持續(xù)革新，絕對(duì)編碼器相對(duì)于增量編碼器的優(yōu)勢(shì)令其成為設(shè)計(jì)師在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域提供位置反饋功能的首選器件。