一、編碼器是什么？

編碼器是一種將機械運動（旋轉或直線位移）轉換為電信號的傳感器。這個電信號通常是一系列的數字脈沖或特定的編碼（如二進制碼），控制器通過讀取這些信號來精確地知道被控對象“現在在哪里"、“移動得多快"、“朝哪個方向移動"。

二、編碼器在控制系統中的作用（為什么需要它？）

想象一下蒙上眼睛去拿桌子上的水杯，你會非常困難，因為你看不到手和水杯的相對位置。在沒有編碼器的開環控制系統中，控制器就類似于“蒙眼"狀態：

• 開環控制：控制器只發送“電機轉100圈"的指令，但無法知道電機是否真的轉了100圈，中間是否有打滑、負載變化或堵轉。精度低、可靠性差。

而加入了編碼器的系統則變成了閉環控制（也叫反饋控制）：

• 閉環控制：

• 德國進口ME-Me?systeme傳感器

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1. 控制器發出指令（例如：移動到位置A）。

2. 電機開始運動。

3. 編碼器實時檢測電機實際轉了多少角度，并將信息反饋給控制器。

4. 控制器比較“指令位置"和“反饋回來的實際位置"，計算出誤差。

5. 控制器根據誤差大小調整輸出（如調整PWM占空比），驅動電機直到誤差消除。

核心作用總結：

1. 位置反饋：精確控制移動到的目標位置（如機械臂、3D打印機噴頭）。

2. 速度反饋：實現平穩、精確的速度控制（如電梯、 conveyor belt）。

3. 方向判斷：確定電機的旋轉方向。

4. 提高系統精度和穩定性：通過實時反饋糾正誤差，抵抗外部干擾。

三、編碼器的主要類型

編碼器主要分為兩大類：

1. 增量式編碼器

這是最常見的一種。它輸出的是與位移量對應的周期性脈沖信號。

• 工作原理：碼盤旋轉時，會輸出兩路相位差90°的方波信號（通常稱為A相和B相）和一個索引信號（Z相）。

• A相和B相：通過比較A、B兩相的相位超前或滯后關系，可以判斷旋轉方向。通過計數A相或B相的脈沖數量，可以計算相對位移量。

• Z相（零位信號）：電機每轉一圈，Z相輸出一個脈沖，用于確定絕對位置參考點（機械原點）。

• 特點：

• 優點：結構簡單、成本低、抗干擾能力強、測量范圍無限制。

• 缺點：斷電后位置信息會丟失。重新上電時，系統必須執行“回零"操作（尋找Z相）才能找回絕對位置。

在控制器中的連接與讀取：
控制器（如PLC、單片機）的高速計數器會捕獲A、B相的脈沖，通過程序判斷方向和累計位置。

2. 絕對式編碼器

它可以提供的位置值，每個位置都對應一個特定的數字編碼。

• 工作原理：它的碼盤上有許多圈同心碼道，每一條碼道對應一個光電傳感器。碼盤的不同角度位置會輸出一組二進制編碼（如格雷碼）。就像一把游標卡尺，任何時候都能直接讀出絕對刻度。

• 特點：

• 優點：斷電后位置信息不丟失。上電后立即知道當前位置，無需回零。數據可靠性高。

• 缺點：結構復雜、成本高、分辨率受限于碼道的數量（位數）。

• 分類：

• 單圈絕對式編碼器：只能記錄一圈內的絕對位置。超過一圈后，編碼會循環。

• 多圈絕對式編碼器：內部有齒輪傳動機構，不僅能記錄一圈內的位置，還能記錄總圈數。即使在轉動了成千上萬圈后斷電，上電時也能知道精確的絕對位置。

在控制器中的連接與讀取：
通常通過并行接口或串行接口（如SSI, BiSS, EtherCAT, PROFINET等）直接讀取當前位置值。

四、編碼器在控制器中的應用實例

實例1：伺服驅動器/伺服電機系統

這是最典型的應用。伺服驅動器就是一個高級的“控制器"，它內部包含電流環、速度環和位置環。

• 編碼器（通常是高精度的多圈絕對式編碼器）直接安裝在伺服電機后端。

• 作用：

• 位置環：確保電機精確走到指令位置。

• 速度環：通過計算單位時間內的位置變化量來精確控制轉速。

• 電流環（轉矩環）：最內環，控制電機轉矩。

實例2：數控機床

• 機床的X、Y、Z各軸都由伺服電機驅動，每個電機都配有編碼器進行閉環控制。

• 光柵尺（一種直線編碼器）也會被用作全閉環控制，直接檢測工作臺的實際位移，從而消除絲杠背隙等機械傳動誤差，精度更高。

實例3：普通直流電機速度測量（Arduino/STM32項目）

• 在電機軸上安裝一個增量式編碼器盤。

• Typ DS 70 x 43 mm, M10 x 28 mm,20290/DS，1072999684

  MTO-2-25-EA7

  UMLENKROLLE 101192433

  F5882030 LPHF-G-A-20-4.5-V

  3BWAF 100L-04F-TH-TF

  5350.070.120

  08-B095-0005

  SRB-NA-R-C.14/R2-24VDC

  D9D9-44-200-540-003-1100N

  AVT-841-006

  MFZP-1/1.1/P/71/10/RV6/0.37/40 0-50，ID:721042

  Rohrtyp 23X11

  9759286

  9759287

  10007583

  10001046

  10007570

  10001632

  10007567

  10001317

  I58-L-2000ZCZ16R

  GES-GLR-010/250-0001

  SG2448

  SG1445

  P1730N

  T1527V

  PTAR22

  T1527B

  FCA 132 M-4/PHE

  SETGK NR:7827/02048

  HS35M-5X6WPU0AAOO

• 使用單片機的兩個外部中斷引腳分別讀取A、B相。

• 編寫程序，通過判斷相位差確定方向，并通過定時器中斷計算單位時間內的脈沖數，從而換算出電機的實時轉速。

總結