編碼器的計數(shù)原理與電機測速原理

什么是編碼器

編碼器是一種用來測量機械旋轉(zhuǎn)或位移的傳感器。它能夠測量機械部件在旋轉(zhuǎn)或直線運動時的位移位置或速度等信息，并將其轉(zhuǎn)換成一系列電信號。

光電編碼器

光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光源、光碼盤和光敏元件組成。

光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。

此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號。

霍爾編碼器

霍爾編碼器是一種通過磁電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。

霍爾編碼器是由霍爾碼盤（磁環(huán)）和霍爾元件組成。

霍爾碼盤是在一定直徑的圓板上等分地布置有不同的磁極。霍爾碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件檢測輸出若干脈沖信號，為判斷轉(zhuǎn)向，一般輸出兩組存在一定相位差的方波信號。

增量式編碼器

增量式編碼器是將設(shè)備運動時的位移信息變成連續(xù)的脈沖信號，脈沖個數(shù)表示位移量的大小。其特點如下：

1、只有當(dāng)設(shè)備運動時才會輸出信號。

2、一般會輸出通道A和通道B 兩組信號，并且有90° 的相位差（1/4個周期），同時采集這兩組信號就可以計算設(shè)備的運動速度和方向。

如下圖，通道A和通道B的信號的周期相同，且相位相差1/4個周期，結(jié)合兩相的信號值：

1、當(dāng)B相和A相先是都讀到高電平（1 1），再B讀到高電平，A讀到低電平（1 0），則為順時針轉(zhuǎn)

2、當(dāng)B相和A相先是都讀到低電平（0 0），再B讀到高電平，A讀到低電平（1 0），則為逆時針轉(zhuǎn)

3、除通道A、通道B 以外，還會設(shè)置一個額外的通道Z 信號，表示編碼器特定的參考位置

如下圖，傳感器轉(zhuǎn)一圈后Z 軸信號才會輸出一個脈沖，在Z軸輸出時，可以通過將AB通道的計數(shù)清零，實現(xiàn)對碼盤絕對位置的計算。

增量式編碼器只輸出設(shè)備的位置變化和運動方向，不會輸出設(shè)備的絕對位置。

絕對式編碼器

絕對式編碼器在總體結(jié)構(gòu)上與增量式比較類似，都是由碼盤、檢測裝置和放大整形電路構(gòu)成，但是具體的碼盤結(jié)構(gòu)和輸出信號含義不同。

它是將設(shè)備運動時的位移信息通過二進制編碼的方式（特殊的碼盤）變成數(shù)字量直接輸出。其特點如下：

1、其碼盤利用若干透光和不透光的線槽組成一套二進制編碼，這些二進制碼與編碼器轉(zhuǎn)軸的每一個不同角度是唯一對應(yīng)的。

2、絕對式編碼器的碼盤上有很多圈線槽，被稱為碼道，每一條（圈）碼道內(nèi)部線槽數(shù)量和長度都不同。它們共同組成一套二進制編碼，一條（圈）碼道對應(yīng)二進制數(shù)的其中一個位（通常是碼盤最外側(cè)的碼道表示最低位，最內(nèi)側(cè)的碼道表示最高位）。

3、碼道的數(shù)量決定了二進制編碼的位數(shù)，一個絕對式編碼器有N 條碼道，則它輸出二進制數(shù)的總個數(shù)是2的N次方個。

4、讀取這些二進制碼就能知道設(shè)備的絕對位置，所以稱之為絕對式編碼器。

5、編碼方式一般采用自然二進制、格雷碼或者BCD 碼等。

自然二進制的碼盤易于理解，但當(dāng)碼盤的制造工藝有誤差時，在兩組信號的臨界區(qū)域，所有碼道的值可能不會同時變化，或因為所有傳感器檢測存在微小的時間差，導(dǎo)致讀到錯誤的值。比如從000跨越到111，理論上應(yīng)該讀到111，但如果從內(nèi)到外的3條碼道沒有完全對齊，可能會讀到如001或其它異常值。

格雷碼（相鄰的兩個2進制數(shù)只有1個位不同）碼盤可以避免二進制碼盤的數(shù)據(jù)讀取異常，因為格雷碼碼盤的相鄰兩個信號組只會有1位的變化，就算制造工藝有誤差導(dǎo)致信號讀取有偏差，最多也只會產(chǎn)生1個偏差（相鄰信號的偏差）。

編碼器參數(shù)解析

分辨率

指編碼器能夠分辨的最小單位。

對于增量式編碼器，其分辨率表示為編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，即脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)(Pulse Per Revolution 或PPR)。

碼盤上透光線槽的數(shù)目其實就等于分辨率，也叫多少線，較為常見的有5-6000 線。

對于絕對式編碼器，內(nèi)部碼盤所用的位數(shù)就是它的分辨率，單位是位(bit)，具體還分單圈分辨率和多圈分辨率。

精度

首先明確一點，精度與分辨率是兩個不同的概念。

精度是指編碼器每個讀數(shù)與轉(zhuǎn)軸實際位置間的最大誤差，通常用角度、角分或角秒來表示。

例如有些絕對式編碼器參數(shù)表里會寫±20′′，這個就表示編碼器輸出的讀數(shù)與轉(zhuǎn)軸實際位置之間存在正負20 角秒的誤差。

精度由碼盤刻線加工精度、轉(zhuǎn)軸同心度、材料的溫度特性、電路的響應(yīng)時間等各方面因素共同決定。

最大響應(yīng)頻率

指編碼器每秒輸出的脈沖數(shù)，單位是Hz。計算公式為：

最大響應(yīng)頻率= 分辨率* 軸轉(zhuǎn)速/60

例如某電機的編碼器的分辨率為100（即光電碼盤一圈有100條柵格），軸轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)每分鐘（即每秒轉(zhuǎn)2圈），則響應(yīng)頻率為100*120/60=200Hz，即該轉(zhuǎn)速下，編碼器每秒輸出200個脈沖（電機帶動編碼器轉(zhuǎn)了2圈嘛）。

編碼器的信號輸出形式

對于增量式編碼器，每個通道的信號獨立輸出，輸出電路形式通常有集電極開路輸出、推挽輸出、差分輸出等。

對于絕對式編碼器，由于是直接輸出幾十位的二進制數(shù)，為了確保傳輸速率和信號質(zhì)量，一般采用串行輸出或總線型輸出，例如同步串行接口(SSI)、RS485、CANopen 或EtherCAT 等，也有一部分是并行輸出，輸出電路形式與增量式編碼器相同。

碼盤測速原理

編碼器倍頻

編碼器倍頻是什么意思呢，比如某光柵編碼器一圈有N個柵格，理論上電機帶動編碼器轉(zhuǎn)一圈，只能輸出N個信號，通過倍頻技術(shù)，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)一圈，卻能輸出N*n個信號，這里的n為倍頻數(shù)。

增量式編碼器輸出的脈沖波形一般為占空比50% 的方波，通道A 和B 相位差為90°。

1、如果只使用通道A計數(shù)，并且只捕獲通道A的上升沿，則一圈的計數(shù)值=碼盤的柵格數(shù)，即為1倍頻（沒有倍頻）

2、如果只使用通道A計數(shù)，并且捕獲了通道A的上升沿和下降沿，則編碼器轉(zhuǎn)一圈的計數(shù)值翻倍，實現(xiàn)2倍頻

3、如果既使用通道A計數(shù)，又使用通道B計數(shù)，且都捕獲了上升沿和下降沿，則實現(xiàn)了4倍頻



假設(shè)某個增量式編碼器它的分辨率是600PPR，能分辨的最小角度是0.6°，對它進行4 倍頻之后就相當(dāng)于把分辨率提高到了600*4=2400PPR，此時編碼器能夠分辨的最小角度為0.15°。

M法測速

又叫做頻率測量法。該方法是在一個固定的時間內(nèi)（以秒為單位），統(tǒng)計這段時間的編碼器脈沖數(shù)，計算速度值。M法適合測量高速。

假設(shè)：

編碼器單圈總脈沖數(shù)為C（常數(shù)）

統(tǒng)計時間為 T0 （固定值，單位秒）

該時間內(nèi)統(tǒng)計到的編碼器脈沖數(shù)為 M0（測量值）

則：轉(zhuǎn)速n（圈/秒）的計算公式為：



注意： 如何理解這個公式：

M0即統(tǒng)計時間內(nèi)有多少個編碼器脈沖，再除以統(tǒng)計時間 T0，即1s（單位時間）內(nèi)轉(zhuǎn)了多少圈

例如：統(tǒng)計時間T0為3s，在3s內(nèi)測得的脈沖數(shù) M0為60，而編碼器的單圈脈沖數(shù)C為20，則轉(zhuǎn)速n=60/(20*3)=1圈每秒

由于C 是常數(shù)，所以轉(zhuǎn)速n 跟 M0成正比。這就使得：

1、在高速時，測量時 M0變大，可以獲得較好的測量精度和平穩(wěn)性

2、但在低速時（低到每個 T0內(nèi)只有少數(shù)幾個脈沖），此時算出的速度誤差就會比較大，并且很不穩(wěn)定。

如下圖，方波為編碼器某一通道輸出的脈沖。

當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，每個統(tǒng)計時間 T0內(nèi)的計數(shù)值較大，可以得到較準確的轉(zhuǎn)速測量值。

當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，每個統(tǒng)計時間 T0內(nèi)的計數(shù)值較小，由于統(tǒng)計時間的起始位置與編碼器脈沖的上升沿不一定對應(yīng)，當(dāng)統(tǒng)計時間的起始位置不同時，會有一個脈沖的誤差（只統(tǒng)計上升沿時，最多會有1個脈沖誤差，統(tǒng)計上升沿和下降沿時，最多會有2個脈沖的誤差）。



通過倍頻提高單位時間測得的脈沖數(shù)可以改善M 法在低速測量的準確性（比如原本捕獲到的脈沖 M0只有4 個，經(jīng)過4 倍頻后，相同電機狀態(tài) M0變成了16 個），但也不能從根本上改變低速時的測量問題。

T法測速

又叫做周期測量法。這種方法是建立一個已知頻率的高頻脈沖并對其計數(shù)。T法適合測量低速。

假設(shè)：

編碼器單圈總脈沖數(shù)為C（常數(shù)）

高頻脈沖的頻率為 F0（固定值，單位Hz）

捕獲到編碼器相鄰兩個脈沖的間隔時間為 TE，其間的計數(shù)值為 M1（測量值）

則：轉(zhuǎn)速n 的計算公式為：



如何理解這個公式：

1/ TE，即1s內(nèi)有多少個編碼器脈沖，再除以一圈的脈沖數(shù)C，即1s內(nèi)轉(zhuǎn)了多少圈

F0即1s內(nèi)的高頻脈沖數(shù)除以兩編碼器脈沖間的高頻脈沖數(shù)，也即1s內(nèi)有多少個編碼器脈沖，再除以一圈的脈沖數(shù)C，即1s內(nèi)轉(zhuǎn)了多少圈

例如：高頻脈沖的周期是1ms，即頻率 F0為1000Hz，在編碼器的兩個脈沖之間，產(chǎn)生的高頻脈沖數(shù) M1為50個（即兩個編碼器脈沖的間隔 TE為0.05s），編碼器一圈的脈沖數(shù)C為20，則轉(zhuǎn)速 n = 1000 / ( 50 ? 20 ) = 1 n=1000/(50*20)=1 n=1000/(50?20)=1圈每秒。

由于C 和 F0是常數(shù)，所以轉(zhuǎn)速n 跟 M1成反比。這就使得：

1、在高速時，編碼器脈沖間隔時間 TE很小，使得測量周期內(nèi)的高頻脈沖計數(shù)值 M1也變得很少，導(dǎo)致測量誤差變大

2、在低轉(zhuǎn)速時， TE足夠大，測量周期內(nèi)的 M1也足夠多，所以T法和M法剛好相反，更適合測量低速。

3、如下圖，黑色方波為編碼器某一通道輸出的脈沖，黃色方波為高頻測量脈沖。

4、當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，高頻測量脈沖數(shù) M1較大，可以得到較準確的轉(zhuǎn)速測量值。

當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，編碼器兩脈沖間的時間間隔變短，導(dǎo)致高頻測量脈沖數(shù) M1較小，由于高頻脈沖的上升沿位置與編碼器脈沖的上升沿不一定對應(yīng)，當(dāng)兩波的上升沿位置不同時，會有一個脈沖的誤差。



M/T法測速

這種方法綜合了M 法和T 法各自的優(yōu)勢，既測量編碼器脈沖數(shù)又測量一定時間內(nèi)的高頻脈沖數(shù)。

在一個相對固定的時間內(nèi)，假設(shè)：

編碼器脈沖數(shù)產(chǎn)生 M0個 （測量值）

計數(shù)一個已知頻率為 F0（固定值，單位Hz）的高頻脈沖，計數(shù)值為 M1（測量值），計算速度值

碼器單圈總脈沖數(shù)為C（常數(shù)）

則轉(zhuǎn)速n 的計算公式為： 在這里插入圖片描述 例如：在一個相對固定的時間內(nèi)，編碼器脈沖數(shù) M0為3個；高頻脈沖的周期是1ms，即頻率 F0為1000Hz，產(chǎn)生的高頻脈沖數(shù) M1為150個；編碼器一圈的脈沖數(shù)C為20，則轉(zhuǎn)速 n = 1000 ? 3 / ( 150 ? 20 ) = 1 n=10003/(15020)=1 n=1000?3/(150?20)=1圈每秒。

由于M/T 法公式中的 F0 和C 是常數(shù)，所以轉(zhuǎn)速n 就只受 M0和 M1的影響。

1、高速時， M0增大， M1減小，相當(dāng)于M 法

2、低速時， M1增大， M0減小，相當(dāng)于T 法。

沖數(shù) M=0為3個；高頻脈沖的周期是1ms，即頻率 F0 為1000Hz，產(chǎn)生的高頻脈沖數(shù) M1為150個；編碼器一圈的脈沖數(shù)C為20，則轉(zhuǎn)速 n = 1000 ? 3 / ( 150 ? 20 ) = 1 n=10003/(15020)=1 n=1000?3/(150?20)=1圈每秒。

由于M/T 法公式中的 F0和C 是常數(shù)，所以轉(zhuǎn)速n 就只受 M0和 M1的影響。

1、高速時， M0增大， M1減小，相當(dāng)于M 法

2、低速時， M1增大， M0減小，相當(dāng)于T 法。



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