編碼器是對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和線性位移進(jìn)行編碼的傳感器，搭配電機(jī)廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域。檢測旋轉(zhuǎn)的編碼器稱為旋轉(zhuǎn)編碼器，檢測線性位移的編碼器稱為線性編碼器。為了快速，準(zhǔn)確地控制工業(yè)機(jī)器人，必須實(shí)時(shí)檢測其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括旋轉(zhuǎn)角度，移動(dòng)距離和旋轉(zhuǎn)/移動(dòng)速度，旋轉(zhuǎn)編碼器起著重要作用。

　　圖1、傳感器是工業(yè)機(jī)器人控制的核心器件

　　編碼器是一種檢測旋轉(zhuǎn)角度，線性位移和速度的傳感器。那么旋轉(zhuǎn)編碼器檢測旋轉(zhuǎn)和角度的機(jī)制是什么?

　　圖2、將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)信息的過程

　　編碼器的核心組成是傳感器，傳感器是檢測自然現(xiàn)象變化的元件或電子組件。例如，光學(xué)傳感器檢測光的開/關(guān)，而磁傳感器檢測磁場的分布。傳感器具有以下作用：通過將檢測到的物理量變化作為電信號(hào)輸出，并且可以將信息發(fā)送到外部。如上圖所示，編碼器從傳感器元件輸出的電信號(hào)，最后將旋轉(zhuǎn)/角度信息作為數(shù)字或模擬電信號(hào)發(fā)送到外部。

　　有哪些類型的旋轉(zhuǎn)和角度信息?

　　旋轉(zhuǎn)狀態(tài)是什么?以電機(jī)為例，它停止運(yùn)轉(zhuǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以恒定速度旋轉(zhuǎn)，加速，減速等等。準(zhǔn)確掌握這些條件并準(zhǔn)確控制電機(jī)需要四種信息：旋轉(zhuǎn)量，旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)位置。

　　1、旋轉(zhuǎn)角度

　　圖3、旋轉(zhuǎn)量說明

　　這是有關(guān)電動(dòng)機(jī)軸角已移動(dòng)多少次的信息。例如，在無刷直流電動(dòng)機(jī)中，可以通過檢測轉(zhuǎn)子的磁極的變化來知道轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)量，并有效地使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。

　　2、轉(zhuǎn)速：這是有關(guān)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)速度的信息。正如我們前面提到的，伺服電動(dòng)機(jī)檢測無刷直流電動(dòng)機(jī)或交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并執(zhí)行反饋控制，以使電動(dòng)機(jī)軸以伺服放大器設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)。

　　3、旋轉(zhuǎn)方向：這是有關(guān)電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)的信息。在通過從編碼器輸出的脈沖數(shù)檢測電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)量的系統(tǒng)中，如果無法識(shí)別旋轉(zhuǎn)方向，則錯(cuò)誤地對(duì)旋轉(zhuǎn)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。

　　圖4、順時(shí)針和逆時(shí)針

　　4、旋轉(zhuǎn)位置：這是有關(guān)電機(jī)軸角度多少度的信息。

　　正如我們前面提到的，伺服電機(jī)和步進(jìn)伺服電機(jī)使用編碼器來檢測旋轉(zhuǎn)角度并執(zhí)行反饋控制，同時(shí)判斷是否已達(dá)到目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度。從而實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制。

　　旋轉(zhuǎn)時(shí)什么物理量會(huì)變化?

　　待測物理量的差異意味著傳感器檢測方法的差異，因此它是決定編碼器優(yōu)缺點(diǎn)的重要組成部分。

　　根據(jù)檢測方法，編碼器分為以下四種類型：機(jī)械，光學(xué)，磁性和電磁感應(yīng)類型：

　　1、機(jī)械式(接觸式)編碼器

　　圖5、機(jī)械(接觸式)編碼器圖

　　該方法利用可變電阻器檢測旋轉(zhuǎn)位置，該可變電阻器的電阻與旋轉(zhuǎn)角度成比例地變化。這種機(jī)械編碼器通常稱為電位器。當(dāng)滑塊在電阻上移動(dòng)時(shí)，電位計(jì)的電阻值將與滑塊的移動(dòng)距離成比例的變化。

　　2、光學(xué)型編碼器

　　這是一種使用光電傳感器檢測光是否通過安裝在電機(jī)軸上旋轉(zhuǎn)的碼盤的徑向上的縫隙的方法。光脈沖信號(hào)通過狹縫時(shí)會(huì)發(fā)生變化，并且可以通過對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)來檢測電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)量。

　　圖6、光學(xué)編碼器圖

　　3、電磁式編碼器

　　圖7、磁性編碼器圖

　　該方法使用磁傳感器來測量由安裝在電機(jī)軸上的永磁體產(chǎn)生的磁場分布的變化。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，永磁體的磁場分布也會(huì)發(fā)生變化，因此，如果使用磁傳感器檢測到它，則可以確定電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)位置。

　　4、電磁感應(yīng)式編碼器

　　該方法讀取安裝在電機(jī)軸上的感應(yīng)線圈(勵(lì)磁線圈)和固定線圈(檢測線圈)之間產(chǎn)生的磁場變化?；驹砼c使用電磁感應(yīng)的變壓器相同，這種編碼器稱為旋轉(zhuǎn)變壓器或電容式編碼器。由于使用電刷的接觸方法，旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)感應(yīng)線圈的電源存在磨損的風(fēng)險(xiǎn)。但是，有一個(gè)VR(可變電抗)解析器可以改善這種風(fēng)險(xiǎn)。

　　圖8、電磁感應(yīng)編碼器圖

　　按照電氣輸出形式，編碼器可以分為增量型編碼器(Incremental encoder)和絕對(duì)值型編碼器(Absolute encoder)。增量型編碼器的輸出為周期性重復(fù)的信號(hào)，如方波或者正弦波脈沖。因此，可以分為方波增量型編碼器和正余弦波增量型編碼器。方波增量型編碼器是最常用的編碼器之一，通過計(jì)算方波脈沖的數(shù)量和頻率得出長度和速度。方波增量型編碼器有電壓型輸出，如TTL(也稱長線驅(qū)動(dòng)、線驅(qū)動(dòng)或RS422)和HTL(也稱推挽輸出或推拉輸出)等;有開關(guān)型輸出，如NPN開路集電極輸出和PNP開路集電極輸出。正余弦波增量型編碼器的輸出一般為1Vpp或者0.5Vpp的正弦波和余弦波，通過計(jì)算正余弦的幅值可以精確地細(xì)分出微小的角度。絕對(duì)值型編碼器的輸出則是代表著實(shí)際位置的特定的數(shù)字編碼，不同的編碼規(guī)則對(duì)應(yīng)著不同的通信協(xié)議，也就是我們通常說的通信接口。絕對(duì)值型編碼器常見的的通信接口有：

　　模擬量(如，4-20mA電流型輸出和0-10V電壓型輸出等);

　　并行口(如推挽輸出和開路集電極輸出等，每根線芯代表著二進(jìn)制的一位數(shù)字);

　　串行口(如RS485，RS232, RS422等);

　　工業(yè)總線接口(如SSI, PROFIBUS, DeviceNet, CANOpen等);

　　工業(yè)以太網(wǎng)接口等(如PROFINET, Ethernet IP, EtherCAT, POWERLINK等)。

　　絕對(duì)值型編碼器包含單圈絕對(duì)值型編碼器(Single-turn absolute encoder)和多圈絕對(duì)值型編碼器(Muliti-turn absolute encoder)。單圈絕對(duì)值型編碼器可以確定一圈范圍以內(nèi)的角度，而多圈絕對(duì)值型編碼器除了確定一圈范圍以內(nèi)的角度以外，還可以確定圈數(shù)。

　　根據(jù)使用情況，編碼器大致可分為商用級(jí)與芯片級(jí)、經(jīng)濟(jì)級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)、各類特殊工業(yè)使用級(jí)。比如打印機(jī)，磁卡機(jī)內(nèi)部的編碼器，構(gòu)造簡單，很多外殼都沒有的，幾乎不用談溫度、防塵防水和電磁兼容的，價(jià)格極其便宜。芯片級(jí)：價(jià)格很低，目前國外一些半導(dǎo)體芯片廠家提供，或下游廠家簡單封裝的，無外殼或簡單外殼，電源和信號(hào)僅簡單處理，適用于廠家二次電路開發(fā)，接收線路距離編碼器不宜超過50cm，一些流量計(jì)、閥門電調(diào)廠家選用此等級(jí)，該類編碼器的防護(hù)與電磁兼容抗干擾，應(yīng)由二次開發(fā)的廠家去兼顧的，如不了解，較易造成損壞。經(jīng)濟(jì)級(jí)的已有簡單封裝與簡單處理，適用于單機(jī)設(shè)備，例如繡花機(jī)類的，但經(jīng)濟(jì)級(jí)的特點(diǎn)就是與工業(yè)級(jí)比較的經(jīng)濟(jì)性，其設(shè)計(jì)與選材都定位在經(jīng)濟(jì)實(shí)惠上，并不適合大型設(shè)備、流水線和工程項(xiàng)目，而工業(yè)級(jí)的設(shè)計(jì)、選材與檢測都是按標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)要求做的，作為工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組件應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備、機(jī)器人、流水線和工程項(xiàng)目。伺服機(jī)構(gòu)是使連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或線性運(yùn)動(dòng)的速度保持恒定，或者精確控制一個(gè)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角度和移動(dòng)距離的機(jī)制。伺服機(jī)構(gòu)由無刷直流或交流電機(jī)，編碼器和驅(qū)動(dòng)器組成。為了使無刷直流電動(dòng)機(jī)或交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定，編碼器檢測轉(zhuǎn)速。

　　如果檢測到的速度比設(shè)定的旋轉(zhuǎn)速度慢，則伺服放大器控制使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)更快;

　　如果檢測到的速度小于設(shè)定的旋轉(zhuǎn)速度，則伺服放大器進(jìn)行控制。

　　為了精確地控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角，編碼器檢測旋轉(zhuǎn)角。伺服放大器通過檢查電動(dòng)機(jī)是否已移動(dòng)到目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角來控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角。這種通過使用編碼器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角度的控制方法稱為反饋控制(閉環(huán))。

　　圖9、伺服控制系統(tǒng)組成

　　總結(jié)一下，編碼器(Encoder)為傳感器(Sensor)類的一種，它利用光電、電磁、電容或電感等感應(yīng)原理，主要用來檢測機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、位置、角度、 距離或計(jì)數(shù)。

　　圖10、編碼器分類

　　編碼器里用到的芯片供應(yīng)商有博通/安華高、安森美、艾邁斯、英飛凌、邁來芯、iC-Haus、多摩川、濱松、可天士、霍尼韋爾、麥歌恩、普芮瑪、賽卓電子、芯進(jìn)、中科阿爾法、禹衡光學(xué)、安必軒、中微銳芯、多維科技等。常見的型號(hào)如下：

　　圖11、編碼器

　　1、艾邁斯磁編碼器芯片AS5147P

　　艾邁斯的AS5147P是一款旋轉(zhuǎn)編碼器芯片，內(nèi)部的磁性角度傳感器能夠檢測旋轉(zhuǎn)軸上兩極磁鐵圍繞IC中心旋轉(zhuǎn)時(shí)的絕對(duì)角度方位。高速芯片能看到絕對(duì)角度位置可以以PWM、ABI、UVW等不同方式輸出，或通過主機(jī)接口直接讀取。根據(jù)不同應(yīng)用的要求，提供最高14 位的分辨率。這種技術(shù)可用于高精度角度位置檢測、高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和BLDC電機(jī)。所有旋轉(zhuǎn)磁性位置傳感器都可取代絕對(duì)或增量式光學(xué)傳感器以及其他磁性和電感技術(shù)、電位計(jì)或磁性開關(guān)。

　　圖12、艾邁斯的AS5147P

　　2、邁來芯的磁編碼器芯片MLX90381邁來芯的角度編碼器芯片MLX90421，采用小巧的DFN-6封裝(尺寸2 mm × 2.5 mm)，可實(shí)現(xiàn)帶傳感器的機(jī)電系統(tǒng)的小型化。該解決方案符合 ASIL 標(biāo)準(zhǔn)，可在模塊層級(jí)進(jìn)行編程，非常適用于轉(zhuǎn)子位置檢測。

　　圖13、邁來芯的MLX90381

　　3、博通/安華高的AEAT-8800博通/安華高的AEAT-8800可在360度旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)提供精確的角度測量。絕對(duì)角度測量以10、12、14或16位的可編程分辨率提供角度位置的指示。最高16位的分辨率，這已經(jīng)是很高的精度了，這種可編程也提供了相應(yīng)的靈活度。如果必要的話，還可以選擇在PWM編碼輸出信號(hào)中接收其絕對(duì)角度位置。

　　圖14、博通/安華高的AEAT-8800

　　4、麥歌恩的MT6826麥歌恩的磁性角度編碼器芯片MT6826，適用于閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)控制，基于各向異性磁阻(Anisotropic Magnetoresistive，簡稱AMR)技術(shù)和專有的信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)0°~360°的絕對(duì)角度測量。

　　圖15、麥歌恩的MT6826

　　5、iC-Haus的iC-RB

　　iC-Haus的iC-RB是一款光學(xué)雙掃描編碼器芯片，該芯片在控制通道中具有24位的出色絕對(duì)分辨率，在安全通道中具有15位的絕對(duì)分辨率。因此，它現(xiàn)在可以獨(dú)立運(yùn)行，這意味著高分辨率安全編碼器無需外部細(xì)分器。讓編碼器廠商能夠以最少的努力實(shí)現(xiàn)具有高度集成安全功能的成本優(yōu)化的24位絕對(duì)式編碼器。

　　圖16、iC-Haus的iC-RB

　　6、英飛凌的TLE5109A英飛凌的AMR磁編碼器芯片TLE5109A，體積小精度高。它有極佳的角度精度，具有非常高的場范圍、低抖動(dòng)的特性，是專為超精密和快速旋轉(zhuǎn)測量應(yīng)用而設(shè)計(jì)。如 BLDC 電機(jī)位置、EPS 轉(zhuǎn)子位置、踏板和旋轉(zhuǎn)開關(guān)、閥門或襟翼位置感應(yīng)、轉(zhuǎn)向角傳感、電動(dòng)機(jī)、磁編碼器、高速應(yīng)用、汽車和工業(yè)安全應(yīng)用等等。

　　圖17、英飛凌的磁編碼器芯片

　　7、多維科技的AMR3003多維科技的AMR3003是一款基于AMR效應(yīng)的角度傳感器芯片，可以測量0~180°范圍內(nèi)的磁場角度，其輸出電壓正比于兩倍磁場角度的正弦或余弦。AMR3003內(nèi)部包含兩個(gè)獨(dú)特的推挽式惠斯通電橋，每個(gè)惠斯通電橋包含四個(gè)高靈敏度AMR傳感元件，輸出信號(hào)的峰值可達(dá)工作電壓的1.6%。此外，獨(dú)特的AMR惠斯通電橋結(jié)構(gòu)有效地補(bǔ)償了傳感器的溫度漂移。AMR3003采用了LGA8L (5 mm × 5 mm × 0.9 mm)和DNF6L (2 mm × 3 mm × 0.75 mm)兩種封裝形式，具有封裝體積小，裝配方便的特點(diǎn)。

　　圖18、多維科技傳感器芯片

　　工業(yè)編碼器的電氣和硬件設(shè)計(jì)，在穩(wěn)定性、可靠性和安全性方面要求會(huì)比商業(yè)級(jí)高，相應(yīng)的芯片選型和項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作則更難。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺(tái)，過去數(shù)年已積累了豐富的優(yōu)勢貨源。我們聚焦服務(wù)元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產(chǎn)業(yè)供需略盡綿薄之力。

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