编码器选择 - 第一部分：特征

如何为您的应用选择合适的编码器？在这篇博客文章中可以找到答案。

在许多采用小型电机的应用中，首选的反馈传感器是数字增量式编码器。本系列博客文章首先会重新分析各种最重要的编码器特征，然后再详细介绍针对位置控制和速度控制应用的选择。

典型的要求包括哪些？

每一种应用各有不同。主要任务可能是位置控制或者速度控制。速度或位置控制的精度水平可能有很大差异，在选择编码器之前就应该定义需要达到的精度。与高转速（1000 rpm及以上）时的速度控制相比，低转速（低于100 rpm）时的速度控制需要更好的反馈。

负载可以直接耦合到电机上，或者使用一个机械转换系统，例如齿轮箱、丝杠或其他装置。编码器通常安装在电机轴上，但也可以安装在负载上。转换装置的机械特性会影响编码器的选择：因此必须考虑齿轮减速比和机械间隙。

温度、振动、电磁干扰等环境条件也可能对编码器的选择产生影响。比如，光电编码器应该防尘。磁性编码器可能对外部磁场（包括电机磁场）非常敏感，因此可能需要相应的屏蔽层。

增量式编码器有哪些关键特征？

增量式编码器的特征参数是电机每转的矩形脉冲数。一般情况下，有两个提供相同脉冲数的通道。两帧信号之间的相对位移是脉冲长度的四分之一。采用这种布局方式可以检测电机的旋转方向，并使每一个脉冲具有4种不同的状态。这些状态有时被称为quadcounts（编码器状态数）。它们代表的是比一个通道上的脉冲数高4倍的实际分辨率。具有1000 cpt（每圈状态数或脉冲数）的编码器每圈可以提供4000个状态或360°/4000 = 0.09°的标称分辨率。

注意：在讨论编码器的分辨率时，请确保使用相同的定义：每个通道的脉冲数 (cpt) 或状态数 (quadcounts)。

数字增量式编码器的信号。如果对状态变化（通道A和B的信号边缘）进行计数，得到的分辨率比一个编码器通道上的脉冲数高4倍。

编码器分辨率可以在很宽的范围内变化：从仅用于检测运动的非常简单的1 cpt（或4个状态）编码器，到用于高精度位置或速度反馈的数万cpt的编码器。会影响编码器分辨率的因素有很多：基本物理原理（光学、磁性、感应……）、主要信号类型（模拟或数字）、信号处理（例如插值）以及机械布局等。但本篇博客文章并不是讨论编码器的设计，而是关于如何通过合适的编码器来实现特定的应用控制要求。

编码器的精度如何？

具有256 cpt的磁性插值编码器的非线性测量示例。图中显示的与完美位置之间的偏差是编码器信号（1024个状态数）的函数。图中包含1圈的25个测量值。在这里可以清楚看到，电机旋转一圈之后会重复出现偏差。与平均绝对位置之间的偏差约为+/- 0.45°，或者就INL而言约为0.9°。在规定的编码器位置上，信号噪音（抖动）约为0.3°，完全对应于1个状态的变化（360°/1024 = 0.35°）。

具有256 cpt的磁性插值编码器的非线性测量示例。图中显示的与完美位置之间的偏差是编码器信号（1024个状态数）的函数。图中包含1圈的25个测量值。在这里可以清楚看到，电机旋转一圈之后会重复出现偏差。与平均绝对位置之间的偏差约为+/- 0.45°，或者就INL而言约为0.9°。在规定的编码器位置上，信号噪音（抖动）约为0.3°，完全对应于1个状态的变化（360°/1024 = 0.35°）。

最大偏差（峰到峰）被称为积分非线性 (INL)。在需要绝对位置精度的应用中，INL非常重要。可重复性（也就是对于给定的设定值总是达到相同的位置）不受INL的影响。可重复性是一个信号抖动的问题，通常小于1个状态。

增量式编码器和绝对位置？

增量式编码器只是给出位置变化。如果需要绝对定位，就必须先确定参考位置或起始位置。这可以通过将机构移向一个外部参考来实现；这个外部参考可以是机械止挡或限位开关。

某些编码器拥有每圈发出一个脉冲的第三个通道。这个索引通道的边缘给出一圈内的绝对位置参考。外部参考的精度有限，但可以通过额外移向索引通道边缘之一的方法来提高精度。但请注意，索引通道并不是定位的前提条件。事实上，机械制造商会尽量避免使用索引作为参考，因为如果必须更换电机编码器单元，就必须重新进行标定。此外，有一些控制器也使用索引通道来交叉检查编码器信号并监测编码器脉冲数。

通过额外移向索引通道信号边缘可以提高参考位置精度。

传输信号时需要注意哪些事项？

长距传输时建议使用线驱动，这样可以获得更好的信号质量。进行定位时必须使用线驱动，以避免错过编码器脉冲。

线驱动可以为每个通道（A、B、I）生成反向信号（Ā, B̄, Ī）。会一起传输每个信号对并评估差异，从而滤除信号传输过程中的任何电磁干扰。这样做的结果可以改善信号质量、更清晰地定义信号边缘，并通过驱动装置功能在更长距离（最远约30 m）内传输信号。

编码器需要最低电源电压。在较长的编码器线路上，线路电阻和相应的压降可能会导致问题。检查导线截面和供电电压。

环境条件、稳健性

编码器的标准工作温度范围在-30°C至+100°C之间。这涵盖大多数应用以及电机产生的热量。

在强振动应用中以及在有机械冲击的情况下，坚固的机械外壳和良好的导线应力释放至关重要。

虽然光电编码器对于电磁干扰不太敏感，但磁性编码器却需要能有效屏蔽杂散磁场的屏蔽层。光电编码器对于灰尘非常敏感，因此外壳必须经过良好的密封和紧固。

在后续的博客文章中，会更详细地介绍如何选择用于位置控制和速度控制的编码器。