編碼器的應用現(xiàn)狀分析與展望

劉濤

摘 要：文章通過對目前市場中常用編碼器的結構、原理、分類的闡述，對編碼器的應用現(xiàn)狀進行了具體的論述，并對編碼器的控制精度對編碼器的重要性進行了探討，最后對編碼器未來的發(fā)展趨勢進行了展望，為編碼器的推廣應用提供了支撐。

關鍵詞：編碼器；應用現(xiàn)狀；絕對值型；增量型

引言

在機電一體化迅速發(fā)展的今天，傳感器作為信息反饋裝置，對由計算機、信息反饋機構、執(zhí)行機構所構成的開、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)字化信息轉化成角度、長度等可執(zhí)行變量的重要工具，如通過光電轉換將傳感器測得機械幾何位移量轉換成脈沖量或數(shù)字量，旋轉編碼器將角度、轉速等物理量轉化成數(shù)字脈沖電信號。在機電一體化系統(tǒng)中，編碼器具有機構緊湊、安裝方便、重量輕、維護容易的特點，而且工作可靠、精度高、反應快，在自動測量以及自動控制等自動化領域得到了廣泛的應用。文章對編碼器的結構、工作原理以及應用現(xiàn)狀的具體論述，并對其未來發(fā)展趨勢進行了展望，為編碼器的推廣應用提供了支持。

1 編碼器的應用現(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數(shù)的長方形孔，工作時圓盤旋轉，電子檢測裝置檢測輸出的脈沖信號，從而達到轉化變量的目的。編碼器按照信號的原理可以分為絕對值型編碼器和增量型編碼器，按照測量方式的不同可以分為行程編碼器和角度測量編碼器，下面對其進行具體的分析和闡述。

增量型編碼器將位移變量轉換成周期性的電信號，再將這些電信號轉化成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小并傳輸給計算機。其工作過程是：在中心有軸的光電碼盤上面有環(huán)形通、暗的刻線，光電碼盤的一側有光電發(fā)射設備，另外一側有接收檢測器件，光電盤會隨著被測量的旋轉而發(fā)生變化，從而達到測量速度、旋轉方向、移動角度及相對距離的目的。增量型編碼器在使用過程中仍然有一定的缺陷，主要是因為增量型編碼器記錄初始位置要依靠計數(shù)設備的內部記憶，一旦發(fā)生斷電或者外部干擾導致脈沖丟失，編碼器的零點就會發(fā)生偏移，而且偏移量無法通過計算獲得，更無法進行自我修正，只有出現(xiàn)了過于明顯的錯誤結果才能知道。目前解決這種誤差問題的方法只有增加零點參考點的數(shù)目，編碼器經過每一個參考點都可以進行修正零點的位置，但在進行修正之前仍然無法保證位置的準確性，尤其在遭到持續(xù)的間歇性干擾，其錯誤的程度更大。因此，增量型編碼器目前存在著零點累計誤差、停機斷電記憶消失、開機需重新找零以及抗干擾功能較差等問題，而另一種編碼器-絕對值型編碼器都可以解決。

絕對值型編碼器的基本結構與增量型編碼器類似，由發(fā)射元件、檢測元件、固定光柵和旋轉光柵等構件組成。在編碼器工作時，旋轉光柵隨被測元件的旋轉而旋轉，發(fā)射元件發(fā)射出的平行光束射在光碼盤上，與光碼盤另一側的檢測元件相耦合。絕對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，在讀取時每道刻度線都可以形成一組二進制編碼，總共2的n-1次方個二進制編碼，稱為n位絕對值編碼。

絕對值編碼器采取這種多個對照的方式，避免了增量型編碼器的缺陷，可以直接輸出數(shù)字信號，在測量角度、距離等物理量時，不需要計數(shù)器，在有電氣噪聲或振動的惡劣環(huán)境下同樣可以使用，具有很強的抗干擾能力。在進行測量時，其位置取決于光碼盤的機械位置，無需記憶和參考點，也不必回到原點，不會產生累積誤差，抗干擾性和可靠性極強。絕對值型編碼器又分為單圈絕對值型編碼器和多圈絕對值型編碼器，前者旋轉一圈就會回到原點，多用于360°范圍以內的角度測量，后者增加了圈數(shù)的編碼，擴大了編碼器的測量范圍，可用于大角度或長度定位，目前已經在許多工控定位中應用。

1.2 編碼器的應用

編碼器在工程實際應用中，通常有檢測自動化系統(tǒng)中電機轉速、設備運行位置和行程的作用，按用途可分為測速編碼器和行程編碼器兩種。目前編碼器主要應用以下領域：（1）機床。機床在工作過程中的X、Y軸給電機的控制，刀架的換刀、對刀，主軸旋轉等都需要使用編碼器；（2）電梯。電梯的速度調節(jié)和轎廂的位置控制都需要很精準的信號，編碼器可以在電梯控制上提供可靠精準的位置信號和速度信號，完成電梯的正常運轉；（3）風力發(fā)電領域。風電是目前發(fā)展最快的可再生資源，編碼器主要用于發(fā)電機和變槳和偏航系統(tǒng)的測速、角度位移，同時用于檢測風速，保證發(fā)電機的最大電力輸出，是編碼器未來最大的市場；（4）工業(yè)自動化控制生產線領域。工廠的自動化生產線需要精確的速度和方向信息保證電機正常運行；（5）工程機械領域。大型工程機械對可靠的速度和位置檢測的需求越來越高，尤其在重型車輛行業(yè)，編碼器廣泛用于電子轉向助力系統(tǒng)、車輛速度檢測器以及混合動力汽車；（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、較好密封性的高標準編碼器，主要用于鉆臺電機、轉臺和污泥泵的測速，如加油機上的編碼器用于測流量、計量加油量；（7）矢量電機和伺服電機。矢量電機和伺服電機可以在很寬的范圍內進行速度、轉矩以及位置控制都要依賴電機輸出軸上的編碼器；（8）機器人領域。機器人的每個關節(jié)都需要精確的控制，以保證整個機器人的協(xié)調運動或行走，所以每個關節(jié)都需要一個編碼器進行協(xié)調控制。

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

1.3 編碼器的發(fā)展趨勢展望

隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，編碼器開始向小型化、智能化以及測量更精確、適應性更強的領域發(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)的編碼器越來越小，而且為了適應自動化控制領域的智能化、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、偽隨機碼編碼方式、游標式編碼方式等，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；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轉換器以及EPROM器件組成，將正弦信號轉換成參考脈沖信號、方波信號等，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立性，有效地防止數(shù)據傳輸誤差，保證精確度；另外，編碼器的測量準確度進一步發(fā)展，編碼器的精度通常由機械部分精度、碼盤劃分精度和信號處理電路綜合保證，采用先進的工藝手段，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量精度。

除此之外，編碼器的發(fā)展還向使用網絡化的信號傳輸、可編程編碼器技術、電磁兼容技術等方向迅速發(fā)展。編碼器是一種集光、電、機械技術為一體、具有廣泛用途的傳感器，隨著關鍵技術的突破和科學的迅猛發(fā)展，編碼器技術必將越來越完善，產品應用也越來越廣泛。

2 結束語

文章對編碼器的原理和分類進行了詳細的論述，并對編碼器在機床、電梯、自動化控制、新能源開發(fā)等領域的應用現(xiàn)狀進行了具體的分析，最后對編碼器小型化、智能化的發(fā)展趨勢進行了探討，為編碼器的推廣應用和進一步發(fā)展提供了有力的支持。

參考文獻

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