几种不同电机编码器的介绍

1 电机的基本介绍

电机，是指根据电磁感应定律，对电能进行转换的执行设备，可根据能量转化的不同，分成电动机和发电机。电动机，俗称马达，即将电能转化为机械能，也是我们常见常用的方式；发电机，即将机械能转化为电能，用于发电等场合。

1.1伺服电机

电机分类方式不同，叫法也各不相同，下面简单通过几种分类方式和流程图，来介绍一下电机的分类。

首先，按照工作电源种类划分，可分为直流电机和交流电机。其中直流电机按照结构和工作原理，又可分为无刷直流电机和有刷直流电机；交流电机，按照电压的不同，又可分为单相电机和三相电机。

 

图1.1 工作电源种类分类图  

其次，按照结构和工作原理划分，可分为直流电机、同步电机和异步电机，其中同步电机又可分为永磁同步电机、磁阻同步电机和磁滞同步电机；异步电机又可分为感应电机和交流换向器电机。



图1.2 结构和工作原理分类图  

最后，按照用途划分，可分为驱动用电机和控制用电机，其中驱动用电机又可分为电动工具用电机、家电用电机和其他通用小型机械设备用电机；控制用电机又可分为步进电机和伺服电机。



图1.3 用途分类图  

常见的伺服电机，是永磁同步交流伺服电机，其内部转子是永磁铁。驱动器通过控制U、V、W三相电形成电磁场，转子在电磁场的作用下转动，同时电机后衔接的编码器通过电机的运转产生反馈的编码器信号给驱动器，驱动器再根据反馈值和目标值进行比较，调整转子转动的角度。由此可以看出，电机的控制精度，取决于编码器的精度（或称为线数）。  

1.2 电机结构

伺服电机，主要由定子和转子构成。定子铁芯通常用硅钢片叠压而成，表面的槽内嵌有两项绕组，其中一相绕组是励磁绕组，另一相绕组是控制绕组，如图1.4、1.5、1.6所示：

 

将一台伺服电机拆开后，就可以清楚的看到其内部结构，如图1.7所示，除了定子和转子外，电机尾部的编码器也是构成伺服电机的重要部分，在后续的章节中将进行详细的介绍。



图1.7 伺服电机组合图  

电机常见的术语有以下几种：

（1）旋转方向：从电机的传动端（电机轴端）朝非传动端（编码器端）沿轴向看电机的旋转方向。

（2）机械角度：从几何上把电机圆周分成360度，称之为机械角度。

（3）电气角度：简称电角度，对于交流电机来说，电枢线圈中感生的按正弦变化的电势的一个周期为360度电角度，若电机有P对磁极，电机旋转时的电角度为P×机械角度。

（4）惯性：物体对加速或减速的惯性测量值。这里用于指电机所要移动负载的惯性，或电机转子的惯性。

（5）法兰：又称法兰凸缘盘，用于连接两个设备的一种组合密封结构，一般是成对使用的，常见的法兰有60#、80#、90#、110#、130#、150#、180#等，如图1.8所示。



图1.8 伺服电机结构图  

2 编码器  

2.1 编码器简介

编码器是一种通过把机械运动转化为数字电信号的传感器。当驱动器想要控制电机转动，则U、V、W三相电输出带动电机运转起来，要想使电机转到某个位置或角度，我们称这个位置为目标值，则电机转动过程中就需要知道电机此时转动了多少，在什么位置，否则电机只会一味地转下去。在这个过程中，编码器就充当了反馈的角色，通过编码器划分转子旋转一圈的不同位置，再跟随转子转动，并实时将当前转子的位置反馈给驱动器，以便驱动器知道当前的位置是否达到目标值，一旦达到目标值，则控制U、V、W三相电的输出，使转子停在该位置保持不动，从而实现了任意位置或角度的控制。如图2.1，简要介绍了编码器的组成。



图2.1 伺服电机结构图  

2.2 编码器的分类

编码器的定义方式不同，所以分类也不同，下面简要介绍几种分类的方式。 首先，按码盘的刻孔方式划分，可分为增量式和绝对式。  

其次，按机械结构划分，可分为旋转编码器和线性编码器，其中旋转编码器的应用最为广泛，也最为常见，用于测量机械设备角度和速度；线性编码器又可分为拉线编码器和支线编码器，多用于测量线性位移。旋转编码器基准光栅是一个刻度均匀的玻璃圆盘（码盘）把角位移转换成电信号，而线性编码器则是玻璃标尺（码尺），把直线位移转换成电信号，如图2.2、2.3所示。



图2.2 旋转编码器图



图2.3 线性编码器图  

最后，按照编码器的工作原理划分，可分为光电式、磁电式和触点电刷式，其中以光电式和磁电式较为常见，这里简要介绍一下光电式编码器，磁电式编码器将在后面的章节中进行介绍。  

光电编码器主要是由光栅盘（分度码盘）和光电检测装置（接收器）组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光栅盘与电机同轴，电机旋转时，光栅盘与电机同速旋转，发光二极管垂直照射光栅盘，把光栅盘图像投射到由光敏元件构成的光电检测装置（接收器）上，光电检测装置能够将光信号转化为电气信号，使得光栅盘转动所产生的光变化经转换后以相应的脉冲信号的变化输出（码盘随电机同步转动，光源不动），如图2.4所示。




图2.4 伺服电机结构图  

2.2.1 增量式编码器

增量式编码器，是将位移转化为周期性的电信号，再把电信号转化为计数脉冲，用计数脉冲的个数来表示位移量。常见的增量式编码器为光电式，是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相，A、B两组脉冲相位相差90°（或相互延迟1/4周期），根据延迟关系可以区别正反转，而且通过取A相、B相的上升和下降沿可以进行2或4倍频。Z相为单圈脉冲，即每圈发出一个脉冲，用于基准点定位，如图2.5、2.6所示。



图2.5 增量式编码器码盘图



图2.6 增量式编码器原理图  

由于增量式编码器是通过旋转方式用计数脉冲来表示位移量，在驱动器不断电的情况下，可以通过记录转过的脉冲数的方式，来记录位移的量，但是一旦驱动器断电，除非电机保持不动，否则其位置无法与驱动器记录位置的脉冲数相匹配，所以一般情况下，驱动器上电后要先估测驱动器的角度和位置，然后等待首圈接收到Z脉冲信号，作为校准，以重新开始计数，这也是增量式编码器在一些场合使用时需要进行回原或开机找零点的原因。  

增量式编码器，又可分为省线式和非省线式。在编码器线的反馈信号中，提供了A、B、Z、U、V、W六种信号，其中U、V、W信号为驱动器提供驱动器的位置信息。当驱动器上电后读取到U、V、W信号时，就可以确定电机定子电流的初始相位角，在电机运转起来后，经过了Z脉冲，就可以借助A、B、Z信号，精准的测量伺服转子的位置，此时驱动器就不再需要U、V、W信号了，所以U、V、W信号仅起到电机绕组上电前提供转子位置信息的作用。

省线式和非省线式的区别，就在于编码器线内是否含有U、V、W信号，没有，则是省线式，有，则是非省线式。标准的非省线式电机，是A、B、Z、U、V、W信号并行输出，即使首圈Z脉冲过后，已不需要此信号，但是U、V、W信号仍旧一直输出。所谓的省线式，并不是不提供U、V、W信号，而是依据驱动器需要的先后顺序，将U、V、W和A、B、Z信号分时在标示了A、B、Z信号的引出线上做输出，以达到满足驱动器所需信息的目的。

2.2.2 绝对值编码器 

绝对值编码器，就是对应一圈，每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值。在绝对值的编码器码盘上，有许多道光通道刻线，每道刻线以2线、4线、8线、16线等顺序依次排列，这样，在编码器的每一位置，通过读取每道刻线的亮、暗，获取一组以2为底的0到n-1次方二进制编码，且每个编码都是唯一的。我们常说的17位、23位绝对值编码器，就是指编码的n次方，如图2.7所示：



图2.7 绝对值编码器码盘图  

与增量式编码器不同，绝对式编码器不是输出脉冲，而是输出数字信号以指示编码器位置，并且每个数字信号都是唯一的，因此即使驱动器电源切除后位置信息也不会丢失，什么时候需要知道位置就什么时候去读取它的位置，重新启动后系统可立即恢复运动。

绝对值编码器，可以分为单圈绝对值编码器和多圈绝对值编码器。单圈绝对值编码器，是指以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量。

多圈绝对值编码器，是指运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富余较多，这样在安装时不用费劲找零点， 将某一中间位置作为起始点就可以了，从而大大简化了安装调试的难度，如图2.9所示。



图2.9 绝对值编码器单圈（左）和多圈（右）对比图  

2.2.3 磁编码器

磁电式编码器采用磁电式设计，通过磁感应器件、利用磁场的变化来产生和提供转子的绝对位置，利用磁器件代替了传统的码盘，弥补了光电编码器的一些缺陷，更具抗震、耐腐蚀、耐污染、性能可靠高、结构更简单。  

磁电式编码器主要部分由磁阻传感器、磁鼓、信号处理电路组成。将磁鼓刻录成等间距的小磁极，磁极被磁化后，旋转时产生周期分布的空间漏磁场。磁传感器探头通过磁电阻效应将变化着的磁场信号转化为电阻阻值的变化，在外加电势的作用下，变化的电阻值转化成电压的变化，经过后续信号处理电路的处理，模拟的电压信号转化成计算机可以识别的数字信号，实现磁旋转编码器的编码功能。



图2.10 磁电式编码器组成图  

磁电编码器原理类似光电编码器，但其采用的是磁场信号。在磁编码器内部采用一个磁性转盘和磁阻传感器。磁性转盘的旋转会引起内部磁场强度的变化，磁阻传感器检测到磁场强度的变化后再经过电路的信号处理即可输出信号。磁性转盘的磁极数，磁阻传感器的数量及信号处理的方式决定了磁编码器的分辨率。采用磁场原理产生信号的优势是磁场信号不会受到灰尘，湿气，高温及振动的影响。

2.2.4 旋转变压器

旋转变压器，可简称为“旋变”，是一种精密角度、位置、速度检测装置，是输出电压与转子转角成一定函数关系的特种电机，其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与二次侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角密切相关，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。



图2.11 旋转变压器图  

旋转变压器和普通变压器的基本原理相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是固定的，因而其输出电压与输入电压之比是常数，而旋转变压器和原边、副边是随着转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随着转子的角位移而发生着变化，其输出电压的幅值与转子转角成正弦、余弦或线性关系。  

旋转变压器与其他编码器的不同之处，在于其输出的是模拟量正余弦信号，而不是方波脉冲信号，因此在应用于伺服系统中，需要一定的接口电路，或者称为分解器数字变换器，来实现模拟信号到控制系统数字信号的转换。分解器是旋转变压器的另一种叫法，因为旋转变压器输出正弦信号和余弦信号，其实就是一种信号正交分解的形式。

审核编辑：刘清