舞臺(tái)機(jī)械技術(shù)與設(shè)備系列談（二）
——編碼器

侯鵬強(qiáng)，唐 偉，向 飛

（成都炎興自動(dòng)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(tái)機(jī)械中的應(yīng)用占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。運(yùn)動(dòng)類設(shè)備的精確運(yùn)動(dòng)在很大程度上依賴于編碼器安裝的可靠性、電信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、計(jì)數(shù)單元的準(zhǔn)確性。編碼器的分類有多種，最常見(jiàn)的分類為增量編碼器和絕對(duì)值編碼器，絕對(duì)值編碼器又分為單圈絕對(duì)值編碼器和多圈絕對(duì)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(tái)機(jī)械的應(yīng)用中，對(duì)于編碼器的使用常會(huì)遇到一些問(wèn)題，如針對(duì)一個(gè)多軸驅(qū)動(dòng)的升降舞臺(tái)，該選擇何種類型的編碼器，是增量編碼器還是絕對(duì)值編碼器？從成本考慮用磁編碼器是否可行？針對(duì)這些實(shí)際問(wèn)題，文中基于編碼器的技術(shù)特點(diǎn)，解析在舞臺(tái)機(jī)械應(yīng)用中如何選型、安裝、使用。

1 技術(shù)特點(diǎn)

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(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機(jī)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(cè)裝置構(gòu)成，如圖2所示。在伺服系統(tǒng)中，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同軸使電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)光柵盤的旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)光電檢測(cè)裝置輸出若干個(gè)脈沖信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)的每秒脈沖數(shù)便可計(jì)算當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。光電編碼器的碼盤輸出兩個(gè)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(dòng)機(jī)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(chǎng)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(guò)解析從霍爾傳感器經(jīng) PCB 線路板輸出的電壓信號(hào)，就能夠識(shí)別出編碼器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置。

1.2 編碼器信號(hào)輸出

根據(jù)編碼器的信號(hào)輸出類型，一般又可分為增量編碼器和絕對(duì)值編碼器。

增量編碼器使用范圍較廣，常見(jiàn)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(hào)，再變成計(jì)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(guān)系可以區(qū)別正反轉(zhuǎn)，而且通過(guò)取A相、B相的上升和下降沿可以進(jìn)行2或4倍頻；Z相為單圈脈沖，即每圈發(fā)出一個(gè)脈沖。

絕對(duì)值編碼器又可分為單圈絕對(duì)值編碼器和多圈絕對(duì)值編碼器，一般采用通信的方式和PLC或者驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如SSI、PROFINET、CANOPEN等。單圈絕對(duì)值編碼器一般只能記錄編碼器單圈的絕對(duì)位置，常用于做單圈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件。多圈編碼器應(yīng)用范圍更廣，可記錄編碼器實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。

多圈絕對(duì)值編碼器實(shí)現(xiàn)多圈圈數(shù)檢測(cè)的方法主要包括：電池加計(jì)數(shù)寄存器、機(jī)械齒輪旋轉(zhuǎn)編碼等。

（1）電池加計(jì)數(shù)寄存器的原理簡(jiǎn)單，就是利用在編碼器內(nèi)部加裝的微處理器，記錄、計(jì)算和存儲(chǔ)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(shí)候，也依然能夠持續(xù)做到對(duì)圈數(shù)的累計(jì)和記錄。

（2）機(jī)械齒輪的多圈編碼器內(nèi)部會(huì)有一個(gè)類似鐘表齒輪的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，即一串與主機(jī)械軸逐級(jí)咬合的減速齒輪組，每一級(jí)齒輪都與上一級(jí)齒輪和主機(jī)械軸之間有著整數(shù)倍的減速比關(guān)系。通過(guò)識(shí)別每個(gè)齒輪的旋轉(zhuǎn)角度位置，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器主機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的檢測(cè)。機(jī)械齒輪的多圈編碼器輸出的絕對(duì)位置反饋，是基于當(dāng)前機(jī)械物理傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接測(cè)得的，而不是根據(jù)歷史記錄計(jì)算出來(lái)的，無(wú)需電池，更不會(huì)受到線路干擾、程序錯(cuò)誤等外界環(huán)境的影響，從位置檢測(cè)的源頭即做到信號(hào)反饋的安全性。

2 安裝和使用

2.1 選型問(wèn)題

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

當(dāng)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(bǔ)償和保護(hù)措施避免溫度漂移，還有一個(gè)不好解決的問(wèn)題就是多圈位置反饋。采用磁編碼器的方式，做絕對(duì)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(duì)位置記憶，一般都需要增加電池進(jìn)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(huì)丟失。

在舞臺(tái)機(jī)械行業(yè)，由于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械類設(shè)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(jī)軸的，有安裝于減速機(jī)軸的，還有采用拉線等其他形式的安裝。

編碼器安裝于電機(jī)尾軸，主要是為了實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制。變頻器通過(guò)編碼器能實(shí)時(shí)計(jì)算并獲取電機(jī)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)情況，并對(duì)應(yīng)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。比如變頻器希望電機(jī)輸出穩(wěn)定在1 200 r/min的轉(zhuǎn)速，而當(dāng)前電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為1 150 r/min，變頻器可通過(guò)采集電機(jī)尾軸的編碼器值，獲知目前電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速未到1 200r/min，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)電流環(huán)，使速度提升到1 200 r/min。在此過(guò)程中，假如速度由于其他原因提升不上去，變頻器會(huì)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的報(bào)警。采用速度閉環(huán)的好處較多，如可使得電機(jī)在不同負(fù)載情況下運(yùn)行特性基本一樣，進(jìn)而有利于位置環(huán)的調(diào)節(jié)。

在舞臺(tái)機(jī)械應(yīng)用中，一般要求在電機(jī)尾軸安裝有單獨(dú)的增量編碼器用于速度調(diào)節(jié)，也常會(huì)用該編碼器做位置調(diào)節(jié)。對(duì)于有些只安裝了一個(gè)編碼器在設(shè)備低速傳動(dòng)軸，如減速機(jī)出軸位置，一般都無(wú)法完成速度閉環(huán)，只能進(jìn)行粗略的位置閉環(huán)，且精度和響應(yīng)速度都存在不足，在負(fù)載變化較大的情況下響應(yīng)方式會(huì)存在差異。

對(duì)于安裝于電機(jī)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(yīng)用的實(shí)際情況看，兩種類型的增量型編碼器使用效果都不錯(cuò)，編碼器松動(dòng)、運(yùn)行晃動(dòng)現(xiàn)象均不明顯，采用其中任何一種均可。但對(duì)于電機(jī)尾軸需要安裝手輪的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(gè)增量一個(gè)多圈絕對(duì)值的組合，也有兩個(gè)增量的配置方式。一個(gè)設(shè)備的兩個(gè)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(gè)別變頻器也支持采用多圈絕對(duì)值編碼器進(jìn)行速度環(huán)調(diào)節(jié)）；第二個(gè)編碼器則用于位置調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)為了達(dá)到SIL3安全級(jí)別，需要配置雙編碼器，進(jìn)行編碼器的比較，可在一個(gè)編碼器失效的情況下快速判斷出設(shè)備的異常，防止某個(gè)編碼器損壞導(dǎo)致危險(xiǎn)情況發(fā)生。

但是對(duì)于有些應(yīng)用場(chǎng)所，比如多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同一個(gè)剛性設(shè)備的情況，則采用增量加多圈絕對(duì)值編碼器的配置方式，并且多圈絕對(duì)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(jī)執(zhí)行端，進(jìn)行最終位置的測(cè)量和多個(gè)設(shè)備之間位置的精確比較。此類情況若不安裝多圈絕對(duì)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(dòng)之間最終位置出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)傾斜或者受力不均等危險(xiǎn)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(hào)，一種增量一種多圈絕對(duì)值，可統(tǒng)一安裝于電機(jī)尾軸，安裝過(guò)程簡(jiǎn)單方便。但是，該安裝方式通常會(huì)造成增量輸出信號(hào)和多圈絕對(duì)值輸出信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，如軸的松動(dòng)帶來(lái)的兩種編碼器信號(hào)同時(shí)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(wèn)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(jī)尾軸，多圈絕對(duì)值編碼器安裝于減速機(jī)軸等。

3 結(jié)語(yǔ)

在舞臺(tái)機(jī)械的應(yīng)用中，編碼器的選型并沒(méi)有一個(gè)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(guò)程中，不僅需要考慮編碼器的性能指標(biāo)，還要從價(jià)格、使用環(huán)境等方面綜合考慮，隨著對(duì)安全要求的提升，相信采用雙編碼器會(huì)逐漸成為舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的必然趨勢(shì)。