侯鵬強，唐 偉，向 飛

（成都炎興自動化工程有限公司，四川 成都 610052）

目前，編碼器作為一種重要的傳感器，其在舞臺機械中的應用占據(jù)著越來越重要的地位。運動類設備的精確運動在很大程度上依賴于編碼器安裝的可靠性、電信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性、計數(shù)單元的準確性。編碼器的分類有多種，最常見的分類為增量編碼器和絕對值編碼器，絕對值編碼器又分為單圈絕對值編碼器和多圈絕對值編碼器；根據(jù)編碼器內(nèi)部工作原理的不同，又可分為磁編碼器和光電編碼器。

在舞臺機械的應用中，對于編碼器的使用常會遇到一些問題，如針對一個多軸驅(qū)動的升降舞臺，該選擇何種類型的編碼器，是增量編碼器還是絕對值編碼器？從成本考慮用磁編碼器是否可行？針對這些實際問題，文中基于編碼器的技術(shù)特點，解析在舞臺機械應用中如何選型、安裝、使用。

1 技術(shù)特點

1.1 編碼器原理

編碼器根據(jù)內(nèi)部工作原理主要分為兩種：光電編碼器和磁編碼器，如圖1所示。

光電編碼器的主要工作原理是，通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換為脈沖或數(shù)字量的傳感器，主要由光柵盤和光電檢測裝置構(gòu)成，如圖2所示。在伺服系統(tǒng)中，光柵盤與電動機同軸使電動機的旋轉(zhuǎn)帶動光柵盤的旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)光電檢測裝置輸出若干個脈沖信號，根據(jù)該信號的每秒脈沖數(shù)便可計算當前電動機的轉(zhuǎn)速。光電編碼器的碼盤輸出兩個相位差90°的光碼，根據(jù)雙通道輸出光碼狀態(tài)的改變便可判斷出電動機的旋轉(zhuǎn)方向。

圖1 編碼器

圖2 光電編碼器原理圖

圖3 磁編碼器原理圖

磁編碼器結(jié)構(gòu)主要是在編碼器旋轉(zhuǎn)軸末端裝上一塊產(chǎn)生磁場的永磁體，將霍爾傳感器芯片置于一塊 PCB 線路板上，按照一定的要求（方向和距離）靠近編碼器軸末端的這塊永磁體，如圖3所示，通過解析從霍爾傳感器經(jīng) PCB 線路板輸出的電壓信號，就能夠識別出編碼器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置。

1.2 編碼器信號輸出

根據(jù)編碼器的信號輸出類型，一般又可分為增量編碼器和絕對值編碼器。

增量編碼器使用范圍較廣，常見的增量編碼器主要為脈沖輸出類型。將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再變成計數(shù)脈沖，用脈沖的數(shù)量表示位移的大小。通常為A相、B相、Z相輸出，其中，A相、B相為相互延遲1/4周期的脈沖輸出，根據(jù)延遲關系可以區(qū)別正反轉(zhuǎn)，而且通過取A相、B相的上升和下降沿可以進行2或4倍頻；Z相為單圈脈沖，即每圈發(fā)出一個脈沖。

絕對值編碼器又可分為單圈絕對值編碼器和多圈絕對值編碼器，一般采用通信的方式和PLC或者驅(qū)動單元進行數(shù)據(jù)交互，如SSI、PROFINET、CANOPEN等。單圈絕對值編碼器一般只能記錄編碼器單圈的絕對位置，常用于做單圈旋轉(zhuǎn)運動的部件。多圈編碼器應用范圍更廣，可記錄編碼器實際轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。

多圈絕對值編碼器實現(xiàn)多圈圈數(shù)檢測的方法主要包括：電池加計數(shù)寄存器、機械齒輪旋轉(zhuǎn)編碼等。

（1）電池加計數(shù)寄存器的原理簡單，就是利用在編碼器內(nèi)部加裝的微處理器，記錄、計算和存儲編碼器旋轉(zhuǎn)圈數(shù)；而電池的作用，則是為了確保編碼器在斷電的時候，也依然能夠持續(xù)做到對圈數(shù)的累計和記錄。

（2）機械齒輪的多圈編碼器內(nèi)部會有一個類似鐘表齒輪的齒輪傳動結(jié)構(gòu)，即一串與主機械軸逐級咬合的減速齒輪組，每一級齒輪都與上一級齒輪和主機械軸之間有著整數(shù)倍的減速比關系。通過識別每個齒輪的旋轉(zhuǎn)角度位置，即可以實現(xiàn)對編碼器主機械軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的檢測。機械齒輪的多圈編碼器輸出的絕對位置反饋，是基于當前機械物理傳動機構(gòu)直接測得的，而不是根據(jù)歷史記錄計算出來的，無需電池，更不會受到線路干擾、程序錯誤等外界環(huán)境的影響，從位置檢測的源頭即做到信號反饋的安全性。

2 安裝和使用

2.1 選型問題

相比傳統(tǒng)的光學編碼器，磁性編碼器不需要有復雜的碼盤和光源，元器件數(shù)量更少，檢測結(jié)構(gòu)更加簡單。同時，霍爾元件本身也具有許多優(yōu)點，例如：結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長，耐振動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕等。

當然，磁性編碼器也有一些特定的短板，如容易受到電磁干擾，需要采取補償和保護措施避免溫度漂移，還有一個不好解決的問題就是多圈位置反饋。采用磁編碼器的方式，做絕對位置反饋就需要在編碼器內(nèi)部增加信息處理單元和位置記憶單元，特別是針對位置記憶，一般都需要增加電池進行掉電保持。但是該方式存在一定的使用缺陷，比如電池失電的情況下位置就會丟失。

在舞臺機械行業(yè)，由于現(xiàn)場機械類設備較多，通常要求以穩(wěn)定性為主，故在編碼器選型中通常采用光電編碼器。

2.2 安裝位置

編碼器安裝方式多種多樣，有安裝于電機軸的，有安裝于減速機軸的，還有采用拉線等其他形式的安裝。

編碼器安裝于電機尾軸，主要是為了實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。變頻器通過編碼器能實時計算并獲取電機當前運動情況，并對應進行速度調(diào)節(jié)。比如變頻器希望電機輸出穩(wěn)定在1 200 r/min的轉(zhuǎn)速，而當前電機實際轉(zhuǎn)速為1 150 r/min，變頻器可通過采集電機尾軸的編碼器值，獲知目前電機的實際轉(zhuǎn)速未到1 200r/min，進而通過調(diào)節(jié)電流環(huán)，使速度提升到1 200 r/min。在此過程中，假如速度由于其他原因提升不上去，變頻器會進行對應的報警。采用速度閉環(huán)的好處較多，如可使得電機在不同負載情況下運行特性基本一樣，進而有利于位置環(huán)的調(diào)節(jié)。

在舞臺機械應用中，一般要求在電機尾軸安裝有單獨的增量編碼器用于速度調(diào)節(jié)，也常會用該編碼器做位置調(diào)節(jié)。對于有些只安裝了一個編碼器在設備低速傳動軸，如減速機出軸位置，一般都無法完成速度閉環(huán)，只能進行粗略的位置閉環(huán)，且精度和響應速度都存在不足，在負載變化較大的情況下響應方式會存在差異。

對于安裝于電機尾軸的編碼器，一般有小的半軸套型編碼器和通孔型編碼器，從應用的實際情況看，兩種類型的增量型編碼器使用效果都不錯，編碼器松動、運行晃動現(xiàn)象均不明顯，采用其中任何一種均可。但對于電機尾軸需要安裝手輪的應用來說，則基本只可選擇通孔型編碼器。

2.3 雙編碼器安裝

雙編碼器常采用一個增量一個多圈絕對值的組合，也有兩個增量的配置方式。一個設備的兩個編碼器作用通常不一樣，其中，增量編碼器主要用于速度環(huán)的調(diào)節(jié)（多數(shù)變頻器只支持采用增量編碼器做速度閉環(huán)，個別變頻器也支持采用多圈絕對值編碼器進行速度環(huán)調(diào)節(jié)）；第二個編碼器則用于位置調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)為了達到SIL3安全級別，需要配置雙編碼器，進行編碼器的比較，可在一個編碼器失效的情況下快速判斷出設備的異常，防止某個編碼器損壞導致危險情況發(fā)生。

但是對于有些應用場所，比如多個電機驅(qū)動同一個剛性設備的情況，則采用增量加多圈絕對值編碼器的配置方式，并且多圈絕對值編碼器一般裝在執(zhí)行部位，比如采用拉線傳感器的方式或者安裝在最后的減速機執(zhí)行端，進行最終位置的測量和多個設備之間位置的精確比較。此類情況若不安裝多圈絕對值編碼器，容易出現(xiàn)增量編碼器持續(xù)累積誤差，造成多驅(qū)動之間最終位置出現(xiàn)偏差，從而導致設備出現(xiàn)傾斜或者受力不均等危險情況。

目前，出現(xiàn)了采用雙輸出方式的編碼器，即一只編碼器可輸出兩種信號，一種增量一種多圈絕對值，可統(tǒng)一安裝于電機尾軸，安裝過程簡單方便。但是，該安裝方式通常會造成增量輸出信號和多圈絕對值輸出信號同時出現(xiàn)問題，如軸的松動帶來的兩種編碼器信號同時異常，編碼器內(nèi)部供電回路異常造成的編碼器兩路輸出異常等情況。為了規(guī)避該類問題，可采用分離編碼器的方式，將兩只編碼器安裝于不同位置，如增量編碼器安裝于電機尾軸，多圈絕對值編碼器安裝于減速機軸等。

3 結(jié)語

在舞臺機械的應用中，編碼器的選型并沒有一個定論，一般是根據(jù)使用情況確定使用哪種類型的編碼器。在選型過程中，不僅需要考慮編碼器的性能指標，還要從價格、使用環(huán)境等方面綜合考慮，隨著對安全要求的提升，相信采用雙編碼器會逐漸成為舞臺機械設備的必然趨勢。