【嵌入式电机控制#6】编码器原理与内部构造

一、简介

        编码器是一种将直线位移和角位移数据转换为脉冲信号、二进制编码的设备。常用于测量物体运动的位置、角度或速度。

二、分类

        1. 按检测分类：

                （1）光电式编码器

                （2）磁电式编码器

        2. 编码类型分类：

                （1）绝对式编码器（磁电绝对式编码器技术含量较高，省略）

                （2）增量式编码器

三、磁电增量式编码器原理

        利用霍尔效应，将位移转化为计数脉冲，用脉冲个数计算位移和速度。

                                

        如上图所示，扁平的是磁盘，中间的柱子是转轴。它的转轴一般会跟电机转轴装在一起，跟随着电机旋转。磁盘上有N极与S极交替排布的磁极。而A B是霍尔传感器，它能够对NS的方向交替变化做出反应。经过信号转换电路，交替过程变为信号脉冲输出，如下图。

                                                

        此外，AB相之间存在一定的相位差，通过判断AB间的相位前后，就能判定电机的转向。如果磁盘顺时针旋转，A相超前。如果磁盘逆时针旋转，则B相超前。

四、光电增量式编码器原理

        利用光电系统，将位移转换为计数脉冲，用脉冲个数计算位移和速度。

                                

        与磁电类似，它的主要结构是转轴和码盘。而盘上有透光的小孔，孔上有光源，AB相的感光元件能够把小孔的受光与否转换为脉冲信号输出。

五、光电绝对式编码器原理

        不同位置和角度时，光敏元件根据受光转换出相应的电平信号，形成二进制数。

                                         

        同样的，它也是有一个旋转的码盘。一个扇区内，黑色块代表不透光，白色块代表透光。不透光（黑色）输出1，透光（白色）输出0，所以一个扇区上的四个区块，就成了1 0 组合的四位二进制码。

        由图中标号所示，每个扇区都按顺序表示0-15D的4 bit 二进制数。

        但是这个码盘存在一个问题，元器件内部如果有反射、折射、衍射等干扰，测量结果将会大幅度偏离实际！

        比如说，如果我们的光从15位和0位之间射入，而因为透射不完全结果却跳变为其他数，测量结果必然是不能用的。那么，接下来的编码形式将会改进这个问题：

        格雷码码盘

                                            

        它的特征是每个相邻扇区的四位数之间只差一个位（对格雷码不熟悉可以先学一下数电）

        那么，就可以有效避免中间值问题了。

六、编码器参数

        1. 分辨率： 编码器可以测量的最小距离，对于增量式编码器来说，分辨率就是转轴每旋转一圈输出的脉冲数（PPR）

        2. 精度：编码器输出信号与实际位置之间的误差，“角分” “角秒”

        3. 最大相应频率：编码器每秒输出的最大脉冲数，单位Hz，简称PPS

        4. 最大转速：指编码器机械系统所能承受的最高转速