编码器的应用现状分析与展望

刘涛

摘 要：文章通过对目前市场中常用编码器的结构、原理、分类的阐述，对编码器的应用现状进行了具体的论述，并对编码器的控制精度对编码器的重要性进行了探讨，最后对编码器未来的发展趋势进行了展望，为编码器的推广应用提供了支撑。

关键词：编码器；应用现状；绝对值型；增量型

引言

在机电一体化迅速发展的今天，传感器作为信息反馈装置，对由计算机、信息反馈机构、执行机构所构成的开、闭环系统的控制精度有着极为重要的影响，而编码器是将数字化信息转化成角度、长度等可执行变量的重要工具，如通过光电转换将传感器测得机械几何位移量转换成脉冲量或数字量，旋转编码器将角度、转速等物理量转化成数字脉冲电信号。在机电一体化系统中，编码器具有机构紧凑、安装方便、重量轻、维护容易的特点，而且工作可靠、精度高、反应快，在自动测量以及自动控制等自动化领域得到了广泛的应用。文章对编码器的结构、工作原理以及应用现状的具体论述，并对其未来发展趋势进行了展望，为编码器的推广应用提供了支持。

1 编码器的应用现状

1.1 编码器的种类及原理

编码器通常由光栅盘和光电检测装置两部分组成，其工作原理为：光栅盘在圆板上均匀的开通固定个数的长方形孔，工作时圆盘旋转，电子检测装置检测输出的脉冲信号，从而达到转化变量的目的。编码器按照信号的原理可以分为绝对值型编码器和增量型编码器，按照测量方式的不同可以分为行程编码器和角度测量编码器，下面对其进行具体的分析和阐述。

增量型编码器将位移变量转换成周期性的电信号，再将这些电信号转化成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小并传输给计算机。其工作过程是：在中心有轴的光电码盘上面有环形通、暗的刻线，光电码盘的一侧有光电发射设备，另外一侧有接收检测器件，光电盘会随着被测量的旋转而发生变化，从而达到测量速度、旋转方向、移动角度及相对距离的目的。增量型编码器在使用过程中仍然有一定的缺陷，主要是因为增量型编码器记录初始位置要依靠计数设备的内部记忆，一旦发生断电或者外部干扰导致脉冲丢失，编码器的零点就会发生偏移，而且偏移量无法通过计算获得，更无法进行自我修正，只有出现了过于明显的错误结果才能知道。目前解决这种误差问题的方法只有增加零点参考点的数目，编码器经过每一个参考点都可以进行修正零点的位置，但在进行修正之前仍然无法保证位置的准确性，尤其在遭到持续的间歇性干扰，其错误的程度更大。因此，增量型编码器目前存在着零点累计误差、停机断电记忆消失、开机需重新找零以及抗干扰功能较差等问题，而另一种编码器-绝对值型编码器都可以解决。

绝对值型编码器的基本结构与增量型编码器类似，由发射元件、检测元件、固定光栅和旋转光栅等构件组成。在编码器工作时，旋转光栅随被测元件的旋转而旋转，发射元件发射出的平行光束射在光码盘上，与光码盘另一侧的检测元件相耦合。绝对值编码器与增量型编码器的区别在于前者有许多道光通道刻线，每一道刻线都有自己的编排码，如2线、4线…16线编排，在读取时每道刻度线都可以形成一组二进制编码，总共2的n-1次方个二进制编码，称为n位绝对值编码。

绝对值编码器采取这种多个对照的方式，避免了增量型编码器的缺陷，可以直接输出数字信号，在测量角度、距离等物理量时，不需要计数器，在有电气噪声或振动的恶劣环境下同样可以使用，具有很强的抗干扰能力。在进行测量时，其位置取决于光码盘的机械位置，无需记忆和参考点，也不必回到原点，不会产生累积误差，抗干扰性和可靠性极强。绝对值型编码器又分为单圈绝对值型编码器和多圈绝对值型编码器，前者旋转一圈就会回到原点，多用于360°范围以内的角度测量，后者增加了圈数的编码，扩大了编码器的测量范围，可用于大角度或长度定位，目前已经在许多工控定位中应用。

1.2 编码器的应用

编码器在工程实际应用中，通常有检测自动化系统中电机转速、设备运行位置和行程的作用，按用途可分为测速编码器和行程编码器两种。目前编码器主要应用以下领域：（1）机床。机床在工作过程中的X、Y轴给电机的控制，刀架的换刀、对刀，主轴旋转等都需要使用编码器；（2）电梯。电梯的速度调节和轿厢的位置控制都需要很精准的信号，编码器可以在电梯控制上提供可靠精准的位置信号和速度信号，完成电梯的正常运转；（3）风力发电领域。风电是目前发展最快的可再生资源，编码器主要用于发电机和变桨和偏航系统的测速、角度位移，同时用于检测风速，保证发电机的最大电力输出，是编码器未来最大的市场；（4）工业自动化控制生产线领域。工厂的自动化生产线需要精确的速度和方向信息保证电机正常运行；（5）工程机械领域。大型工程机械对可靠的速度和位置检测的需求越来越高，尤其在重型车辆行业，编码器广泛用于电子转向助力系统、车辆速度检测器以及混合动力汽车；（6）石油天然气行业。石油天然气行业是高危行业，需要较高可靠性、较好密封性的高标准编码器，主要用于钻台电机、转台和污泥泵的测速，如加油机上的编码器用于测流量、计量加油量；（7）矢量电机和伺服电机。矢量电机和伺服电机可以在很宽的范围内进行速度、转矩以及位置控制都要依赖电机输出轴上的编码器；（8）机器人领域。机器人的每个关节都需要精确的控制，以保证整个机器人的协调运动或行走，所以每个关节都需要一个编码器进行协调控制。

除了以上领域是编码器的主要应用领域外，编码器还广泛应用于造纸、印刷、冶金、天文等传统领域，具有非常广泛的应用范围和长远的应用前景。

1.3 编码器的发展趋势展望

随着现代技术的发展，编码器开始向小型化、智能化以及测量更精确、适应性更强的领域发展。首先，编码器向着体积更小的方向发展，随着技术的发展，编码器需要在更小的位置发挥它的作用，所以缩小编码器的发射元件、接收元件成为必然，目前相同位数的编码器越来越小，而且为了适应自动化控制领域的智能化、集成化的需求，发明了许多新型的编码方式，如：矩阵式编码方式、伪随机码编码方式、游标式编码方式等，这些新的编码方式不仅减小了编码器的体积，还为提高编码器的智能化提供了很好的基础；其次编码器的接口向智能化发展，编码器的接口电路通常由差分接收电路、A/D转换器以及EPROM器件组成，将正弦信号转换成参考脉冲信号、方波信号等，传输给控制系统，将接口电路模块智能化，可以有效的提高编码器的可靠性和独立性，有效地防止数据传输误差，保证精确度；另外，编码器的测量准确度进一步发展，编码器的精度通常由机械部分精度、码盘划分精度和信号处理电路综合保证，采用先进的工艺手段，提高光电元件、码盘以及电路的精度是提高编码器精度的重要手段，从而提高车床等需要高精度轴系编码器的测量精度。

除此之外，编码器的发展还向使用网络化的信号传输、可编程编码器技术、电磁兼容技术等方向迅速发展。编码器是一种集光、电、机械技术为一体、具有广泛用途的传感器，随着关键技术的突破和科学的迅猛发展，编码器技术必将越来越完善，产品应用也越来越广泛。

2 结束语

文章对编码器的原理和分类进行了详细的论述，并对编码器在机床、电梯、自动化控制、新能源开发等领域的应用现状进行了具体的分析，最后对编码器小型化、智能化的发展趋势进行了探讨，为编码器的推广应用和进一步发展提供了有力的支持。

参考文献

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