伺服電機(jī)編碼器原理

伺服編碼器這個(gè)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(hào)，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(jī)多數(shù)為同步電機(jī)，同步電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候需要知道轉(zhuǎn)子的磁極位置，這樣才能夠大力矩啟動(dòng)伺服電機(jī)，這樣需要另外配幾路信號(hào)來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，比如增量型的就有UVW等信號(hào)，正因?yàn)橛辛诉@幾路檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)，伺服編碼器顯得有點(diǎn)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(hào)，相關(guān)的資料不齊全，就更加增添了伺服電機(jī)編碼器的神秘色彩。

由于A、B兩相相差90度，可通過(guò)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(guò)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(jī)編碼器分類

1、增量型編碼器

除了普通編碼器的ABZ信號(hào)外，增量型伺服編碼器還有UVW信號(hào)，目前國(guó)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(duì)值型伺服電機(jī)編碼器

增量式編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過(guò)計(jì)數(shù)設(shè)備來(lái)知道其位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來(lái)記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動(dòng)，當(dāng)來(lái)電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過(guò)程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移，而且這種偏移的量是無(wú)從知道的，只有錯(cuò)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(diǎn)，編碼器每經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點(diǎn)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(diǎn)，開機(jī)找零等方法。

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

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

絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，因其每一個(gè)位置絕對(duì)唯一、抗干擾、無(wú)需掉電記憶，已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長(zhǎng)度測(cè)量和定位控制。

絕對(duì)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(gè)位置，通過(guò)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(duì)編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)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(duì)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(lái)越多地應(yīng)用于伺服電機(jī)上。絕對(duì)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(hào)必須確保連接很好，對(duì)于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來(lái)諸多不便和降低可靠性，因此，絕對(duì)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(guó)生產(chǎn)的絕對(duì)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(duì)式編碼器到多圈絕對(duì)式編碼器旋轉(zhuǎn)單圈絕對(duì)式編碼器，以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)360度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對(duì)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(cè)量，稱為單圈絕對(duì)式編碼器。如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度范圍，就要用到多圈絕對(duì)式編碼器。

編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)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(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍，這樣的絕對(duì)編碼器就稱為多圈式絕對(duì)編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無(wú)需記憶。

多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測(cè)量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多，這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn)，將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，而大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試難度。多圈式絕對(duì)編碼器在長(zhǎng)度定位方面的優(yōu)勢(shì)明顯，目前歐洲新出來(lái)的伺服電機(jī)基本上都采用多圈絕對(duì)值型編碼器。

3、正余弦伺服電機(jī)編碼器

由一個(gè)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(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差(相對(duì)于一個(gè)周波為360度)，將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào);另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)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(duì)正交的sin，cos 1Vp-p信號(hào)，相當(dāng)于方波信號(hào)的增量式編碼器的AB正交信號(hào)，每圈會(huì)重復(fù)許許多多個(gè)信號(hào)周期，比如2048等;以及一個(gè)窄幅的對(duì)稱三角波Index信號(hào)，相當(dāng)于增量式編碼器的Z信號(hào)，一圈一般出現(xiàn)一個(gè);這種正余弦編碼器實(shí)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(hào)外，還具備一對(duì)一圈只出現(xiàn)一個(gè)信號(hào)周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信號(hào)，如果以C信號(hào)為sin，則D信號(hào)為cos，通過(guò)sin、cos信號(hào)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(hào)周期更為細(xì)密的名義檢測(cè)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(wàn)線的名義檢測(cè)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(guó)內(nèi)廠家尚不多見(jiàn);此外帶C、D信號(hào)的正余弦編碼器的C、D信號(hào)經(jīng)過(guò)細(xì)分后，還可以提供較高的每轉(zhuǎn)絕對(duì)位置信息，比如每轉(zhuǎn)2048個(gè)絕對(duì)位置，因此帶C、D信號(hào)的正余弦編碼器可以視作一種模擬式的單圈絕對(duì)編碼器。 9 g0 n9

正余弦伺服電機(jī)編碼器的優(yōu)點(diǎn)是不用采用高頻率的通訊即可讓伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)，可以讓伺服電機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)力矩大。

伺服電機(jī)編碼器使用注意的事項(xiàng)

(1)安裝

安裝時(shí)不要給軸施加直接的沖擊。

伺服電機(jī)編碼器軸與機(jī)器的連接，應(yīng)使用柔性連接器。在軸上裝連接器時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)期浸在水、油中，表面有水、油時(shí)應(yīng)擦拭干凈。

(2)振動(dòng)

加在編碼器上的振動(dòng)，往往會(huì)成為誤脈沖發(fā)生的原因。因此，應(yīng)對(duì)設(shè)置場(chǎng)所、安裝場(chǎng)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(dòng)的影響。在低速旋轉(zhuǎn)或停止時(shí)，加在軸或本體上的振動(dòng)使旋轉(zhuǎn)槽圓盤抖動(dòng)，可能會(huì)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(shí)，若輸出線接觸電源，則有時(shí)會(huì)損壞輸出回路。

2 若配線錯(cuò)誤，則有時(shí)會(huì)損壞內(nèi)部回路，所以配線時(shí)應(yīng)充分注意電源的極性等。

3 若和高壓線、動(dòng)力線并行配線，則有時(shí)會(huì)受到感應(yīng)造成誤動(dòng)作成損壞，所以要分離開另行配線。

4 延長(zhǎng)電線時(shí)，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(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，有問(wèn)題時(shí)，采用施密特回路等對(duì)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(shí)，特別需要注意。

6 電線延長(zhǎng)時(shí)，因?qū)w電阻及線間電容的影響，波形的上升、下降時(shí)間加長(zhǎng)，容易產(chǎn)生信號(hào)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 黃宇