項目名稱：幾種不同電機編碼器的介紹

關鍵詞：增量式電機、絕對值電機、光電編碼器、磁編碼器、旋轉變壓器

內容概要：以介紹性為主，針對公司內部的幾種不同規格的電機、編碼器等，進行簡要的概念性介紹和說明，方便公司的成員對電機、編碼器的基本內容有一定的常識掌握。

一、 電機的基本介紹

電機，是指根據電磁感應定律，對電能進行轉換的執行設備，可根據能量轉化的不同，分成電動機和發電機。電動機，俗稱馬達，即將電能轉化為機械能，也是我們常見常用的方式；發電機，即將機械能轉化為電能，用于發電等場合。

1.1 伺服電機

電機分類方式不同，叫法也各不相同，下面簡單通過幾種分類方式和流程圖，來分別介紹電機的分類。

首先，按照工作電源種類劃分，可分為直流電機和交流電機，其中直流電機按照結構和工作原理，又可分為無刷直流電機和有刷直流電機；交流電機，按照電壓的不同，又可分為單相電機和三相電機。

圖1.1 工作電源種類分類圖

其次，按照結構和工作原理劃分，可分為直流電機、同步電機和異步電機，其中同步電機又可分為永磁同步電機、磁阻同步電機和磁滯同步電機；異步電機又可分為感應電機和交流換向器電機。

圖1.2 結構和工作原理分類圖

最后，按照用途劃分，可分為驅動用電機和控制用電機，其中驅動用電機又可分為電動工具用電機、家電用電機和其他通用小型機械設備用電機；控制用電機又可分為步進電機和伺服電機。

圖1.3 用途分類圖

常見的伺服電機，是永磁同步交流伺服電機，其內部轉子是永磁鐵。驅動器通過控制U、V、W三相電形成電磁場，轉子在電磁場的作用下轉動，同時電機后銜接的編碼器通過電機的運轉產生反饋的編碼器信號給驅動器，驅動器再根據反饋值和目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。由此可以看出，電機的控制精度，取決于編碼器的精度（或稱為線數）。

1.2 電機結構

伺服電機，主要由定子和轉子構成。定子鐵芯通常用硅鋼片疊壓而成，表面的槽內嵌有兩項繞組，其中一相繞組是勵磁繞組，另一相繞組是控制繞組，如圖1.4、1.5、1.6所示

將一臺伺服電機進行拆開后，就可以清楚看到其內部結構了，如圖1.7所示，除了定子和轉子外，電機尾部的編碼器也是構成伺服電機的重要的一部分，在后續的章節中將進行較為詳細的介紹。

圖1.7 伺服電機組合圖

電機常見的術語有以下幾種，這里做簡要的說明：

（1）旋轉方向：從電機的傳動端（電機軸端）朝非傳動端（編碼器端）沿軸向看電機的旋轉方向。

（2）機械角度：從幾何上把電機圓周分成360度，稱之為機械角度。

（3）電氣角度：簡稱電角度，對于交流電機來說，電樞線圈中感生的按正弦變化的電勢的一個周期為360度電角度，若電機有P對磁極，電機旋轉時的電角度為P×機械角度。

（4）慣性：物體對加速或減速的慣性測量值。這里用于指電機所要移動負載的慣性，或電機轉子的慣性。

（5）法蘭：又稱法蘭凸緣盤，用于連接兩個設備的一種組合密封結構，一般成對使用，常見的法蘭有60#、80#、90#、110#、130#、150#、180#等，如圖1.8所示。

圖1.8 伺服電機結構圖

二、 編碼器

2.1 編碼器簡介

編碼器，是將信號（如比特流）或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。當驅動器想要控制電機轉動，則U、V、W三相電輸出帶動電機運轉起來，要想使電機轉到某個位置或角度，我們成這個位置為目標值，則電機轉動過程中就需要知道電機此時轉動了多少，在什么位置，否則電機只會一味地轉下去。在這個過程中，編碼器就充當了反饋的角色，通過編碼劃分轉子旋轉一圈的不同位置，再跟隨轉子轉動，并實時將當前轉子的位置反饋給驅動器，以便驅動器知道當前的位置是否以及達到目標值，一旦達到目標值，則控制U、V、W三相電的輸出，使轉子停在該位置保持不動，從而實現了任意位置或角度的控制。如圖2.1，簡要介紹了編碼器的組成。

圖2.1 伺服電機結構圖

2.2 編碼器的分類

編碼器根據定義方式不同，分類也不同，下面簡要介紹幾種分類的方式。

首先，按碼盤的刻孔方式劃分，可分為增量式和絕對值型，下述內容將其進行詳細的介紹說明。

其次，按機械結構劃分，可分為旋轉編碼器和線性編碼器，其中旋轉編碼器的應用最為廣泛，也最為常見，用于測量機械設備角度和速度；線性編碼器又可分為拉線編碼器和支線編碼器，多用于測量線性位移。旋轉編碼器基準光柵是一個刻度均勻的玻璃圓盤（碼盤）把角位移轉換成電信號，而線性編碼器則是玻璃標尺（碼尺），把直線位移轉換成電信號，如圖2.2、2.3所示。

最后，按照編碼器的工作原理劃分，可分為光電式、磁電式和觸點電刷式，其中以光電式和磁電式較為常見，這里簡要介紹一下光電式編碼器，磁電式編碼器將在后面的章節中進行介紹。

光電編碼器主要是由光柵盤（分度碼盤）和光電檢測裝置（接收器）組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光柵盤與電機同軸，電機旋轉時，光柵盤與電機同速旋轉，發光二極管垂直照射光柵盤，把光柵盤圖像投射到由光敏元件構成的光電檢測裝置（接收器）上，光電檢測裝置能夠將光信號轉化為電氣信號，使得光柵盤轉動所產生的光變化經轉換后以相應的脈沖信號的變化輸出（碼盤隨電機同步轉動，光源不動），如圖2.4所示。

圖2.4 伺服電機結構圖

2.2.1 增量式編碼器

增量式編碼器，是將位移轉化為周期性的電信號，再把電信號轉化為計數脈沖，用計數脈沖的個數來表示位移量。常見的增量式編碼器為光電式，是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相，A、B兩組脈沖相位相差90°（或相互延遲1/4周期），根據延遲關系可以區別正反轉，而且通過取A相、B相的上升和下降沿可以進行2或4倍頻。Z相為單圈脈沖，即每圈發出一個脈沖，用于基準點定位，如圖2.5、2.6所示。

由于增量式編碼是通過旋轉方式用計數脈沖來表示位移量，在驅動器不斷電的情況下，可以通過記錄轉過的脈沖數的方式，來記錄位移的量，但是一旦驅動器斷電了，除非電機保持不動，否則其位置無法與驅動器記錄的位置的脈沖數相匹配，故一般情況下，驅動器上電后先要估測驅動器的角度和位置，然后等待首圈接收到Z脈沖信號，作為校準，以重新開始計數，這也是增量式編碼器在一些場合使用時需要進行回原或開機找零點的原因。

增量式編碼器，又可分為省線式和非省線式。在編碼器線的反饋信號中，提供了A、B、Z、U、V、W六種信號，其中U、V、W信號為驅動器提供驅動器的位置信息。當驅動器上電后讀取到U、V、W信號時，就可以確定電機定子電流的初始相位角，在電機運轉起來后，經過了Z脈沖，就可以借助A、B、Z信號，精準的測量伺服轉子的位置，此時驅動器就不再需要U、V、W信號了，所以U、V、W信號僅起到電機繞組上電前提供轉子位置信息的作用。省線式和非省線式的區別，就在于編碼器線內是否含有U、V、W信號，沒有，則是省線式，有，則是非省線式。標準的非省線式電機，是A、B、Z、U、V、W信號并行輸出，即使首圈Z脈沖過后，已不需要此信號，但是U、V、W信號仍舊一直輸出。所謂的省線式，并不是不提供U、V、W信號，而是依據驅動器需要的先后順序，將U、V、W和A、B、Z信號分時在標示了A、B、Z信號的引出線上做輸出，以達到滿足驅動器所需信息的目的。

2.2.2 絕對值編碼器

絕對值編碼器，就是對應一圈，每個基準的角度發出一個唯一與該角度對應二進制的數值。在絕對值的編碼器碼盤上，有許多道光通道刻線，每道刻線以2線、4線、8線、16線等順序依次排列，這樣，在編碼器的每一位置，通過讀取每道刻線的亮、暗，獲取一組以2為底的0到n-1次方二進制編碼，且每個編碼都是唯一的。我們常說的17位、23位絕對值編碼器，就是指編碼的n次方，如圖2.7所示

圖2.7 絕對值編碼器碼盤圖

與增量式編碼器不同，絕對式編碼器不是輸出脈沖，而是輸出數字信號以指示編碼器位置，并且每個數字信號都是唯一的，因此即使驅動器電源切除后位置信息也不會丟失，什么時候需要知道位置就什么時候去讀取它的位置，重新啟動后系統可立即恢復運動。

圖2.8 二進制碼（左）和格雷碼（右）圖

絕對值編碼器，可以分為單圈絕對值編碼器和多圈絕對值編碼器。單圈絕對值編碼器，是指以轉動中測量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當轉動超過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，這樣的編碼只能用于旋轉范圍360度以內的測量。多圈絕對值編碼器，是指運用鐘表齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎上再增加圈數的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復，而無需記憶。多圈編碼器另一個優點是由于測量范圍大，實際使用往往富余較多，這樣在安裝時不用費勁找零點， 將某一中間位置作為起始點就可以了，從而大大簡化了安裝調試的難度，如圖2.9所示。

圖2.9 絕對值編碼器單圈（左）和多圈（右）對比圖

2.2.3 磁編碼器

磁電式編碼器采用磁電式設計，通過磁感應器件、利用磁場的變化來產生和提供轉子的絕對位置，利用磁器件代替了傳統的碼盤，彌補了光電編碼器的一些缺陷，更具抗震、耐腐蝕、耐污染、性能可靠高、結構更簡單。

磁電式編碼器主要部分由磁阻傳感器、磁鼓、信號處理電路組成。將磁鼓刻錄成等間距的小磁極，磁極被磁化后，旋轉時產生周期分布的空間漏磁場。磁傳感器探頭通過磁電阻效應將變化著的磁場信號轉化為電阻阻值的變化，在外加電勢的作用下，變化的電阻值轉化成電壓的變化，經過后續信號處理電路的處理，模擬的電壓信號轉化成計算機可以識別的數字信號，實現磁旋轉編碼器的編碼功能。

圖2.10 磁電式編碼器組成圖

磁電編碼器原理類似光電編碼器，但其采用的是磁場信號。在磁編碼器內部采用一個磁性轉盤和磁阻傳感器。磁性轉盤的旋轉會引起內部磁場強度的變化，磁阻傳感器檢測到磁場強度的變化后再經過電路的信號處理即可輸出信號。磁性轉盤的磁極數，磁阻傳感器的數量及信號處理的方式決定了磁編碼器的分辨率。采用磁場原理產生信號的優勢是磁場信號不會受到灰塵，濕氣，高溫及振動的影響。

2.2.4 旋轉變壓器

旋轉變壓器，可簡稱為“旋變”，是一種精密角度、位置、速度檢測裝置，是輸出電壓與轉子轉角成一定函數關系的特種電機，其一、二次側繞組分別放在定、轉子上，一次側繞組與二次側繞組之間的電磁耦合程度與轉子的轉角密切相關，適用于所有使用旋轉編碼器的場合，特別是高溫、嚴寒、潮濕、高速、高震動等旋轉編碼器無法正常工作的場合。

圖2.11 旋轉變壓器圖

旋轉變壓器和普通變壓器的基本原理相似，區別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是固定的，因而其輸出電壓與輸入電壓之比是常數，而旋轉變壓器和原邊、副邊是隨著轉子的角位移發生相對位置的改變，因而其輸出電壓的大小隨著轉子的角位移而發生著變化，其輸出電壓的幅值與轉子轉角成正弦、余弦或線性關系。

旋轉變壓器與其他編碼器的不同之處，在于其輸出的是模擬量正余弦信號，而不是方波脈沖信號，因此在應用于伺服系統中，需要一定的接口電路，或者稱為分解器數字變換器，來實現模擬信號到控制系統數字信號的轉換。分解器是旋轉變壓器的另一種叫法，因為旋轉變壓器輸出正弦信號和余弦信號，其實就是一種信號正交分解的形式。