編碼器是對旋轉(zhuǎn)角度和線性位移進行編碼的傳感器，搭配電機廣泛應用在工業(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，準確地控制工業(yè)機器人，必須實時檢測其運動狀態(tài)，運動狀態(tài)包括旋轉(zhuǎn)角度，移動距離和旋轉(zhuǎn)/移動速度，旋轉(zhuǎn)編碼器起著重要作用。

　　圖1、傳感器是工業(yè)機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)和角度的機制是什么?

　　圖2、將旋轉(zhuǎn)運動轉(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，最后將旋轉(zhuǎn)/角度信息作為數(shù)字或模擬電信號發(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?以電機為例，它停止運轉(zhuǎn)，順時針旋轉(zhuǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)，以恒定速度旋轉(zhuǎn)，加速，減速等等。準確掌握這些條件并準確控制電機需要四種信息：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)電動機軸角已移動多少次的信息。例如，在無刷直流電動機中，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，并有效地使電動機旋轉(zhuǎn)。

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

　　3、旋轉(zhuǎn)方向：這是有關(guān)電動機軸旋轉(zhuǎn)方向(順時針或逆時針)的信息。在通過從編碼器輸出的脈沖數(shù)檢測電動機軸的旋轉(zhuǎn)量的系統(tǒng)中，如果無法識別旋轉(zhuǎn)方向，則錯誤地對旋轉(zhuǎn)量進行計數(shù)。

　　圖4、順時針和逆時針

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

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

　　旋轉(zhuǎn)時什么物理量會變化?

　　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：機械，光學，磁性和電磁感應類型：

　　1、機械式(接觸式)編碼器

　　圖5、機械(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。這種機械編碼器通常稱為電位器。當滑塊在電阻上移動時，電位計的電阻值將與滑塊的移動距離成比例的變化。

　　2、光學型編碼器

　　這是一種使用光電傳感器檢測光是否通過安裝在電機軸上旋轉(zhuǎn)的碼盤的徑向上的縫隙的方法。光脈沖信號通過狹縫時會發(fā)生變化，并且可以通過對脈沖數(shù)進行計數(shù)來檢測電機軸的旋轉(zhuǎn)量。

　　圖6、光學編碼器圖

　　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軸上的永磁體產(chǎn)生的磁場分布的變化。電動機旋轉(zhuǎn)時，永磁體的磁場分布也會發(fā)生變化，因此，如果使用磁傳感器檢測到它，則可以確定電動機軸的旋轉(zhuǎn)位置。

　　4、電磁感應式編碼器

　　該方法讀取安裝在電機軸上的感應線圈(勵磁線圈)和固定線圈(檢測線圈)之間產(chǎn)生的磁場變化。基本原理與使用電磁感應的變壓器相同，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)感應線圈的電源存在磨損的風險。但是，有一個VR(可變電抗)解析器可以改善這種風險。

　　圖8、電磁感應編碼器圖

　　按照電氣輸出形式，編碼器可以分為增量型編碼器(Incremental encoder)和絕對值型編碼器(Absolute encoder)。增量型編碼器的輸出為周期性重復的信號，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、線驅(qū)動或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，通過計算正余弦的幅值可以精確地細分出微小的角度。絕對值型編碼器的輸出則是代表著實際位置的特定的數(shù)字編碼，不同的編碼規(guī)則對應著不同的通信協(xié)議，也就是我們通常說的通信接口。絕對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)。

　　絕對值型編碼器包含單圈絕對值型編碼器(Single-turn absolute encoder)和多圈絕對值型編碼器(Muliti-turn absolute encoder)。單圈絕對值型編碼器可以確定一圈范圍以內(nèi)的角度，而多圈絕對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與芯片級、經(jīng)濟級、標準工業(yè)級、各類特殊工業(yè)使用級。比如打印機，磁卡機內(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，價格極其便宜。芯片級：價格很低，目前國外一些半導體芯片廠家提供，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、閥門電調(diào)廠家選用此等級，該類編碼器的防護與電磁兼容抗干擾，應由二次開發(fā)的廠家去兼顧的，如不了解，較易造成損壞。經(jīng)濟級的已有簡單封裝與簡單處理，適用于單機設(shè)備，例如繡花機類的，但經(jīng)濟級的特點就是與工業(yè)級比較的經(jīng)濟性，其設(shè)計與選材都定位在經(jīng)濟實惠上，并不適合大型設(shè)備、流水線和工程項目，而工業(yè)級的設(shè)計、選材與檢測都是按標準工業(yè)要求做的，作為工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組件應用于各種工業(yè)設(shè)備、機器人、流水線和工程項目。伺服機構(gòu)是使連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動或線性運動的速度保持恒定，或者精確控制一個運動的旋轉(zhuǎn)角度和移動距離的機制。伺服機構(gòu)由無刷直流或交流電機，編碼器和驅(qū)動器組成。為了使無刷直流電動機或交流電動機的轉(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機旋轉(zhuǎn)更快;

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

　　為了精確地控制電動機的旋轉(zhuǎn)角，編碼器檢測旋轉(zhuǎn)角。伺服放大器通過檢查電動機是否已移動到目標旋轉(zhuǎn)角來控制電動機的旋轉(zhuǎn)角。這種通過使用編碼器檢測電機轉(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、電容或電感等感應原理，主要用來檢測機械運動的速度、位置、角度、 距離或計數(shù)。

　　圖10、編碼器分類

　　編碼器里用到的芯片供應商有博通/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、中科阿爾法、禹衡光學、安必軒、中微銳芯、多維科技等。常見的型號如下：

　　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)時的絕對角度方位。高速芯片能看到絕對角度位置可以以PWM、ABI、UVW等不同方式輸出，或通過主機接口直接讀取。根據(jù)不同應用的要求，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。所有旋轉(zhuǎn)磁性位置傳感器都可取代絕對或增量式光學傳感器以及其他磁性和電感技術(shù)、電位計或磁性開關(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)，可實現(xiàn)帶傳感器的機電系統(tǒng)的小型化。該解決方案符合 ASIL 標準，可在模塊層級進行編程，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的靈活度。如果必要的話，還可以選擇在PWM編碼輸出信號中接收其絕對角度位置。

　　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)步進電機控制，基于各向異性磁阻(Anisotropic Magnetoresistive，簡稱AMR)技術(shù)和專有的信號處理技術(shù)實現(xiàn)0°~360°的絕對角度測量。

　　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位的出色絕對分辨率，在安全通道中具有15位的絕對分辨率。因此，它現(xiàn)在可以獨立運行，這意味著高分辨率安全編碼器無需外部細分器。讓編碼器廠商能夠以最少的努力實現(xiàn)具有高度集成安全功能的成本優(yōu)化的24位絕對式編碼器。

　　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、低抖動的特性，是專為超精密和快速旋轉(zhuǎn)測量應用而設(shè)計。如 BLDC 電機位置、EPS 轉(zhuǎn)子位置、踏板和旋轉(zhuǎn)開關(guān)、閥門或襟翼位置感應、轉(zhuǎn)向角傳感、電動機、磁編碼器、高速應用、汽車和工業(yè)安全應用等等。

　　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)部包含兩個獨特的推挽式惠斯通電橋，每個惠斯通電橋包含四個高靈敏度AMR傳感元件，輸出信號的峰值可達工作電壓的1.6%。此外，獨特的AMR惠斯通電橋結(jié)構(gòu)有效地補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。

　　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，在穩(wěn)定性、可靠性和安全性方面要求會比商業(yè)級高，相應的芯片選型和項目設(shè)計工作則更難。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數(shù)年已積累了豐富的優(yōu)勢貨源。我們聚焦服務元器件長尾客戶群，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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