德国进口ME-Meßsysteme传感器

一、编码器是什么？

编码器是一种将机械运动（旋转或直线位移）转换为电信号的传感器。这个电信号通常是一系列的数字脉冲或特定的编码（如二进制码），控制器通过读取这些信号来精确地知道被控对象“现在在哪里"、“移动得多快"、“朝哪个方向移动"。

二、编码器在控制系统中的作用（为什么需要它？）

想象一下蒙上眼睛去拿桌子上的水杯，你会非常困难，因为你看不到手和水杯的相对位置。在没有编码器的开环控制系统中，控制器就类似于“蒙眼"状态：

• 开环控制：控制器只发送“电机转100圈"的指令，但无法知道电机是否真的转了100圈，中间是否有打滑、负载变化或堵转。精度低、可靠性差。

而加入了编码器的系统则变成了闭环控制（也叫反馈控制）：

• 闭环控制：

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1. 控制器发出指令（例如：移动到位置A）。

2. 电机开始运动。

3. 编码器实时检测电机实际转了多少角度，并将信息反馈给控制器。

4. 控制器比较“指令位置"和“反馈回来的实际位置"，计算出误差。

5. 控制器根据误差大小调整输出（如调整PWM占空比），驱动电机直到误差消除。

核心作用总结：

1. 位置反馈：精确控制移动到的目标位置（如机械臂、3D打印机喷头）。

2. 速度反馈：实现平稳、精确的速度控制（如电梯、 conveyor belt）。

3. 方向判断：确定电机的旋转方向。

4. 提高系统精度和稳定性：通过实时反馈纠正误差，抵抗外部干扰。

三、编码器的主要类型

编码器主要分为两大类：

1. 增量式编码器

这是最常见的一种。它输出的是与位移量对应的周期性脉冲信号。

• 工作原理：码盘旋转时，会输出两路相位差90°的方波信号（通常称为A相和B相）和一个索引信号（Z相）。

• A相和B相：通过比较A、B两相的相位超前或滞后关系，可以判断旋转方向。通过计数A相或B相的脉冲数量，可以计算相对位移量。

• Z相（零位信号）：电机每转一圈，Z相输出一个脉冲，用于确定绝对位置参考点（机械原点）。

• 特点：

• 优点：结构简单、成本低、抗干扰能力强、测量范围无限制。

• 缺点：断电后位置信息会丢失。重新上电时，系统必须执行“回零"操作（寻找Z相）才能找回绝对位置。

在控制器中的连接与读取：
控制器（如PLC、单片机）的高速计数器会捕获A、B相的脉冲，通过程序判断方向和累计位置。

2. 绝对式编码器

它可以提供的位置值，每个位置都对应一个特定的数字编码。

• 工作原理：它的码盘上有许多圈同心码道，每一条码道对应一个光电传感器。码盘的不同角度位置会输出一组二进制编码（如格雷码）。就像一把游标卡尺，任何时候都能直接读出绝对刻度。

• 特点：

• 优点：断电后位置信息不丢失。上电后立即知道当前位置，无需回零。数据可靠性高。

• 缺点：结构复杂、成本高、分辨率受限于码道的数量（位数）。

• 分类：

• 单圈绝对式编码器：只能记录一圈内的绝对位置。超过一圈后，编码会循环。

• 多圈绝对式编码器：内部有齿轮传动机构，不仅能记录一圈内的位置，还能记录总圈数。即使在转动了成千上万圈后断电，上电时也能知道精确的绝对位置。

在控制器中的连接与读取：
通常通过并行接口或串行接口（如SSI, BiSS, EtherCAT, PROFINET等）直接读取当前位置值。

四、编码器在控制器中的应用实例

实例1：伺服驱动器/伺服电机系统

这是最典型的应用。伺服驱动器就是一个高级的“控制器"，它内部包含电流环、速度环和位置环。

• 编码器（通常是高精度的多圈绝对式编码器）直接安装在伺服电机后端。

• 作用：

• 位置环：确保电机精确走到指令位置。

• 速度环：通过计算单位时间内的位置变化量来精确控制转速。

• 电流环（转矩环）：最内环，控制电机转矩。

实例2：数控机床

• 机床的X、Y、Z各轴都由伺服电机驱动，每个电机都配有编码器进行闭环控制。

• 光栅尺（一种直线编码器）也会被用作全闭环控制，直接检测工作台的实际位移，从而消除丝杠背隙等机械传动误差，精度更高。

实例3：普通直流电机速度测量（Arduino/STM32项目）

• 在电机轴上安装一个增量式编码器盘。

• Typ DS 70 x 43 mm, M10 x 28 mm,20290/DS，1072999684

  MTO-2-25-EA7

  UMLENKROLLE 101192433

  F5882030 LPHF-G-A-20-4.5-V

  3BWAF 100L-04F-TH-TF

  5350.070.120

  08-B095-0005

  SRB-NA-R-C.14/R2-24VDC

  D9D9-44-200-540-003-1100N

  AVT-841-006

  MFZP-1/1.1/P/71/10/RV6/0.37/40 0-50，ID:721042

  Rohrtyp 23X11

  9759286

  9759287

  10007583

  10001046

  10007570

  10001632

  10007567

  10001317

  I58-L-2000ZCZ16R

  GES-GLR-010/250-0001

  SG2448

  SG1445

  P1730N

  T1527V

  PTAR22

  T1527B

  FCA 132 M-4/PHE

  SETGK NR:7827/02048

  HS35M-5X6WPU0AAOO

• 使用单片机的两个外部中断引脚分别读取A、B相。

• 编写程序，通过判断相位差确定方向，并通过定时器中断计算单位时间内的脉冲数，从而换算出电机的实时转速。

总结