关于旋转编码器的分析和应用介绍

关于旋转编码器的分析和应用介绍

请注意，并不是所有的电机都需要编码器。在洗衣机滚筒等对位置或速度精度要求不高的场合，可使用“无传感器”电机控制。

编码器技术之权衡

分辨率是需要注意的主要编码器参数。标准编码器的分辨率为48 - 2,048ppr，虽然较高的ppr值能提供更高的精度，但需要的编码器也更贵，从而将加重闭环回路的系统控制器或数字处理器的计算和处理负担。与所有高分辨率器件一样，由于轴位中有噪声、振动或抖动，过高的精度可能会产生不利的影响。编码器输出进入电路，进而将原始信号转换为有用的格式和数据，之后再送入系统控制器。在有些场合，转换是由系统控制器本身完成的。

有些光电编码器只有光学部分，而由用户提供实际的码盘；也有一些供应商将码盘作为选件提供，较大的码盘便于实现较高的分辨率。编码器与码盘在安装布局和对齐时需要特别小心，码盘的中心孔必须调整为适合电机轴的尺寸。

图1:Avago TechnologiesHEDS-9040/9140系列三通道光电编码器可支持高达2000 ppr的分辨率，供应商也提供了一系列不同尺寸的可选码盘，以提高读数分辨率。

Avago同时推出了AEDR-850x反射编码器，其码盘采用反射缺口，而不是透射缺口，同时由于LED光源和光电检测器位于码盘的同一侧，进而可实现更薄的设计。但需要降低最大分辨率，对于多数应用而言，这种限制并不会造成任何问题。此类编码器采用尺寸仅3.95 (L) × 3.4(W) × 0.9562 mm (H)的表面贴装无引线封装形式，非常适合对尺寸和空间有严格要求的应用。

图3:对于更薄的光电编码器解决方案，由带反射缺口的码盘取代了带透射缺口的码盘，比如Avago的AEDR-850x；将光源和接收器放置在同一侧，使得编码器厚度低于1mm。（来源：Avago Technologies）

光电编码器随被广泛使用且相当成功，但也需要满足应用的严格要求。安装环境中通常会充斥着污垢、油污及其他污染物，这些都可能会干扰码盘、缺口以及编码器输出。此外，LED亮度会在10,000到20,000小时（大约1到2年）内减少一半，最终熄灭。有些光电编码器采用塑料码盘以求降低成本，但这类码盘在高温环境下可能会变形（这是很多工业电机安装时常见的现象），因此可能需要使用成本更高且更易碎的玻璃码盘。但无论如何，光电编码器的小尺寸、低成本以及众多的供应商和型号，使其成为设计人员的首选。

图4: ams的AS5145 12位可编程磁旋转编码器为一款片上系统 (SoC)

作为基本变压器绕组，采用这类设计的编码器坚固耐用、可靠，并且可以在宽温范围内保持一致性，但它需要激励和解调电路，因此需要的电源要高于光电编码器。而且相对于光电编码器，此类编码器的成本和尺寸相对来说也更高、更大，安装时也必须要考虑需要容纳两组绕组。但从另一方面来说，这类编码器是“完整”的，不需要单独提供码盘或类似的配件。

编码器输出及方向的确定

然而幸运的是，光电编码器供应商对编码器输出信号格式建立了标准，降低了技术选择难度。此类编码器的“原始”输出为初级或同步信号（通常称为A信号）和偏离初级信号的正交(90⁰)信号（通常称为B信号）。

顺时针旋转时，A相超前B相90⁰，在逆时针旋转时，B相则超前 A相90⁰。因此，通过检测两个信号以及它们的相对相位，即可确定旋转方向。编码器的相关元件会产生“向上计数”或“向下计数”脉冲，而系统控制器可通过这个脉冲确定相对位置、速度，甚至是加速度（后者更需要实时处理，并且可能对信号抖动比较敏感）。

在过去可能会采用绝对式编码的电机轴位传感设计，开始逐渐采用具有第三索引通道的增量式编码器，以根据需要时在上电时确定轴的位置。这是因为知道启动时的绝对位置，对于很多应用来说并不重要，而相对位置与运动信息才是重要指标，所以使用每转一圈产生一个脉冲的索引通道就已足够。

如果编码器的基本输出A和B以及索引信号采用统一的格式，将根据具体编码器型号以不同的级别和兼容性表示这些信号。用户可选择TTL、CMOS、单端和差分A和B以及索引信号，以满足连接编码器输出的电路的接口要求。多数供应商推出的一些编码器都可以选择接口，因此用户可以首先挑选具有所需编码性能的单元，再选择合适的电气接口。

无传感器的设计

有些应用不需要编码器来指示轴位置，这些“无传感器”电机通过多种算法控制，其中包括场定向控制（FOC，也称为矢量控制）。

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