增量式编码器原理

增量式旋转编码器工作原理增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。在接合数字电路特别是单片机后，增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉价和简易的优势。增量式旋转编码器的内部工作原理增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相。A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高分辩率时，可利用90度相位差的A、B两路信号进行倍频或更换高分辩率编码器。Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。A,B两点对应两个光敏接受管，A,B两点间距为S2,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。通过输出波形图可知每个运动周期的时序为顺时针运动逆时针运动AB11010010AB11100001我们把当前的A,B输出值保存起来，与下一个A,B输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向。如果光栅格S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消耗的时间，就得到此次角度码盘运动位移角速度。S0等于S1时，且S2等于S0的1/2时，1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度了。我们常用的鼠标也是这个原理。增量式旋转编码器选型参考速度计与长度计一般采用增量式编码器，以下就其参数范围作简要的介绍，供选型参考。（1）光栅线数：2常用线数30、60、100、120、200、250、256、300、360、400、480、500、512、600、700、800、900、907、1000、1024、1200、1250、1440、1500、1800、2000、2048、2400、2500、2669、3000、3600、4000、4069、4500、5000、5400（2）五种输出方式：集电极开路输出（通用型）互补输出电压输出长线驱动器输出UVW输出（3）工作电压：5V、12V、24V、5-24V（通用型）、5-30V（4）防护性能：常规为防油、防尘、抗震型。（5）弹性联接器：编码器轴与用户轴联接时，存在同轴误差，严重时将损坏编码器。要求采用弹性联接器（编码器厂家提供选件），解决偏心问题，一般可以做到允许扭矩1N.m,不同轴度0.2mm，轴向偏角1.5度。弹性联轴器常用规格为：编码器端孔径（mm）用户端孔径（mm）Φ4、Φ5、Φ6、Φ8、Φ10、Φ15Φ4、Φ5、Φ6、Φ6.35、Φ8、Φ10、Φ15（6）安装使用及注意事项：编码器属于高精密仪器，安装时不得敲击和碰撞。轴端联接避免钢性联接，而应采用弹性联轴器、尼龙齿轮或同步带联接传动。使用转速不要超过标称转速，否则伺服电机编码器与转子磁极相位对齐方式永磁交流伺服电机的编码器相位为何要与转子磁极相位对齐？其唯一目的就是要达成矢量控制的目标，使d轴励磁分量和q轴出力分量解耦，令永磁交流伺服电机定子绕组产生的电磁场始终正交于转子永磁场，从而获得最佳的出力效果，即“类直流特性”，这种控制方法也被称为磁场定向控制（FOC），达成FOC控制目标的外在表现就是永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致，如下图所示：图1因此反推可知，只要想办法令永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致，就可以达成FOC控制目标，使永磁交流伺服电机的初级电磁场与磁极永磁场正交，即波形间互差90度电角度，如下图所示：3图2如何想办法使永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致呢？由图1可知，只要能够随时检测到正弦型反电势波形的电角度相位，然后就可以相对容易地根据电角度相位生成与反电势波形一致的正弦型相电流波形了。在此需要明示的是，永磁交流伺服电机的所谓电角度就是a相（U相）相反电势波形的正弦（Sin）相位，因此相位对齐就可以转化为编码器相位与反电势波形相位的对齐关系；另一方面，电角度也是转子坐标系的d轴（直轴）与定子坐标系的a轴（U轴）或α轴之间的夹角，这一点有助于图形化分析。在实际操作中，欧美厂商习惯于采用给电机的绕组通以小于额定电流的直流电流使电机转子定向的方法来对齐编码器和转子磁极的相位。当电机的绕组通入小于额定电流的直流电流时，在无外力条件下，初级电磁场与磁极永磁场相互作用，会相互吸引并定位至互差0度相位的平衡位置上，如下图所示：图3对比上面的图3和图2可见，虽然a相（U相）绕组（红色）的位置同处于电磁场波形的峰值中心（特定角度），但FOC控制下，a相（U相）中心与永磁体的q轴对齐；而空载定向时，a相（U相）中心却与d轴对齐。也就是说相对于初级（定子）绕组而言，次级（转子）磁体坐标系的d轴在空载定向时有会左移90度电角度，与FOC控制下q轴的原有位置重合，这样就实现了转子空载定向时a轴（U轴）或α轴与d轴间的对齐关系。此时相位对齐到电角度0度，电机绕组中施加的转子定向电流的方向为bc相（VW相）入，a相（U相）出，由于b相（V相）与c相（W相）是并联关系，流经b相（V相）和c相（W相）的电流有可能出现不平衡，从而影响转子定向的准确性。实用化的转子定向电流施加方法是b相（V相）入，a相（U相）出，即a相（U相）与b相（V相）串联，可获得幅值完全一致的a相（U相）和b相（V相）电流，有利于定向的准确性，此时a相（U相）绕组（红色）的位置与d轴差30度电角度，即a轴（U轴）或α轴对齐到与d轴相差（负）30度的电角度位置上，如图所示：图4上述两种转子定向方法对应的绕组相反电势波形和线反电势，以及电角度的关系如下图4所示，棕色线为a轴（U轴）或α轴与d轴对齐，即直接对齐到电角度0点；紫色线为a轴（U轴）或α轴对齐到与d轴相差（负）30度的电角度位置，即对齐到-30度电角度点：图5上述两种转子定向方法在dq转子坐标系和abc（UVW）或αβ定子坐标系中的矢量关系如图6所示：图6图中棕色线所示的d轴与a轴（U轴）或α轴对齐，即对齐到电角度0点。对齐方法是对电机绕组施加电角度相位固定为-90度的电流矢量，空载下电机转子的d轴会移向FOC控制下电角度相位为-90度的电流矢量q轴分量所处的位置，即图中与a轴或α轴重合的位置，并最终定向于该位置，即电角度0度。紫色线所示的d轴与a轴（U轴）或α轴相差30度，即对齐到-30度电角度点。对齐方法是对电机绕组施加电角度相位固定为-60度的电流矢量，空载下电机转子的d轴会移向在FOC下电角度相位为-60度的电流矢量q轴分量所处的位置，即图中与a轴或α轴沿顺时针方向相差30度的位置，并最终定向于该位置，即电角度-30度。说明一点：文中有关U、V、W相和a、b、c相，U、V、W轴和a、b、c轴的叙述具5有一一对应关系。增量式编码器的相位对齐方式在此讨论中，增量式编码器的输出信号为方波信号，又可以分为带换相信号的增量式编码器和普通的增量式编码器，普通的增量式编码器具备两相正交方波脉冲输出信号A和B，以及零位信号Z；带换相信号的增量式编码器除具备ABZ输出信号外，还具备互差120度的电子换相信号UVW，UVW各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致。带换相信号的增量式编码器的UVW电子换相信号的相位与转子磁极相位，或曰电角度相位之间的对齐方法如下：1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，V入，U出，将电机轴定向至一个平衡位置；2.用示波器观察编码器的U相信号和Z信号；3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；4.一边调整，一边观察编码器U相信号跳变沿，和Z信号，直到Z信号稳定在高电平上（在此默认Z信号的常态为低电平），锁定编码器与电机的相对位置关系；5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，Z信号都能稳定在高电平上，则对齐有效。撤掉直流电源后，验证如下：1.用示波器观察编码器的U相信号和电机的UV线反电势波形；2.逆时针转动电机轴，编码器的U相信号上升沿与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合，编码器的Z信号也出现在这个过零点上。上述验证方法，也可以用作对齐方法。需要注意的是，此时增量式编码器的U相信号的相位零点与电机UV线反电势的相位零点对齐，由于电机的U相反电势，与UV线反电势之间相差30度，因而这样对齐后，增量式编码器的U相信号的相位零点与电机U相反电势的-30度相位点对齐，而电机电角度相位与U相反电势波形的相位一致，所以此时增量式编码器的U相信号的相位零点与电机电角度相位的-30度点对齐。有些伺服企业习惯于将编码器的U相信号零点与电机电角度的零点直接对齐，为达到此目的，可以：1.用一个直流电源给电机的UVW绕组通以小于额定电流的直流电，VW入，U出，将电机轴定向至一个平衡位置；2.用示波器观察编码器的U相信号和Z信号；3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置；4.一边调整，一边观察编码器U相信号跳变沿，和Z信号，直到Z信号稳定在高电平上（在此默认Z信号的常态为低电平），锁定编码器与电机的相对位置关系；5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，Z信号都能稳定在高电平上，则对齐有效。验证方法如下：1.用3个阻值相等的电阻接成星型，然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线；2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点，就可以近似得到电机的U相反电势波形；3.逆时针旋转电机轴，可见编码器的U相信号上升沿和电机U相反电势波形由低到高的过零点重合。