如何測量旋轉量和旋轉速度？

在我們的日常生活中，周圍有各種精密儀器和電子設備。比如家用電器，工業(yè)機器人以及其他一些機器，這些設備的基本配置如下。

檢測設備運動狀態(tài)的傳感器；

控制器根據傳感器的信號進行判斷和處理；

根據控制器處理的信息移動設備的執(zhí)行器；

為了快速，準確地控制這些設備，必須檢測設備的運動狀態(tài)。因此，使用稱為編碼器的傳感器來檢測旋轉角度，移動距離和旋轉/移動速度。

那么什么是編碼器呢？

圖1.傳感器對于移動和控制各種物體至關重要。

什么是編碼器？

編碼器是對旋轉角度和線性位移進行編碼的傳感器。

檢測旋轉的編碼器稱為 旋轉編碼器 ，檢測線性位移的編碼器稱為 線性編碼器 。

實際上，因為在大多數情況下使用旋轉類型，所以當人們只說編碼器時，它通常指的是旋轉編碼器。在本文中，我們將主要著眼于旋轉編碼器。

編碼器應用場景

正如開頭所述，編碼器用于需要高精度且快速運行的設備中。

一般來說，它是由電動機驅動的設備。例如，編碼器廣泛用于工廠中使用的工業(yè)機器人，例如組裝機器人，焊接機器人，自動導向機和加工中心。

但是，大多數人從未見過工業(yè)機器人一直在工作的最新工廠。讓我們來看一些實際使用編碼器的情況。

工業(yè)自動化

圖2.工廠自動化（智能工廠）

在生產電器和汽車的工廠中使用了各種生產設備。

一臺計算機控制由金屬制成零件的機床，而一臺機床可以完成諸如切割平面，鉆孔和切槽之類的各種操作。

這種機床稱為加工中心。生產的零件被送到組裝工廠，并由工業(yè)機器人（例如專用組裝機或手臂式機器人）自動組裝。

最新的工廠是完全自動化的，并使用計算機和網絡進行設計，零件加工，存儲，管理，運輸和裝配的所有制造過程。“連接工廠”的概念稱為工業(yè)4.0，此類工廠稱為智能工廠。

工業(yè)機器人

工業(yè)機器人使人類擺脫了艱巨的工作，提高了工廠的生產率，并穩(wěn)定了產品質量。

使用最廣泛且實用性最高的工業(yè)機器人是具有多個關節(jié)的關節(jié)機器人，相當于人類的肩膀，肘部和手腕。

它的工作原理類似于具有旋轉和滑動運動的人的手臂。控制器輸入的信號通過執(zhí)行器轉換為運動，從而使機器人精確移動。

從人的肩膀到手腕的與“手臂”相對應的部分稱為操縱器，從人的手腕到手指的與“手”相對應的部分稱為末端執(zhí)行器。

在工業(yè)機器人中，通過更換末端執(zhí)行器，不僅可以抓握，還可以進行涂漆和焊接。如果您參觀機器人或機床展覽會，您實際上可以看到各種公司展出的機器人。

圖3.工業(yè)機器人圖

執(zhí)行器

電動機被用作機器人執(zhí)行器是因為它們易于小型化并且具有高精度。

在實際情況中，人們通過將減速齒輪與電動機的輸出軸集成到電動機的輸出軸上并降低電動機的轉速來使用具有增大的旋轉力（轉矩）的制動器。

圖4A 減速電機圖

還有一種電動滑動器，其通過利用螺釘將運動從旋轉改變?yōu)榫€性而在運動方向上產生很大的力。正如下圖所示；

圖4B 電動滑塊圖

伺服電機

電機的種類繁多，在本文中，我們將重點介紹使用編碼器的電機。

一個例子是伺服電機。伺服電機是伺服機構中使用的電動機。

伺服機構是使連續(xù)旋轉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角度和移動距離的機制。

伺服電機由無刷直流或交流電機，編碼器和驅動器組成。

為了使無刷直流電動機或交流電動機的轉速保持恒定，編碼器檢測轉速。

如果檢測到的速度比設定的旋轉速度慢，則伺服放大器控制使電動機旋轉更快；

如果檢測到的速度小于設定的旋轉速度，則伺服放大器進行控制。

為了精確地控制電動機的旋轉角，編碼器檢測旋轉角。伺服放大器通過檢查電動機是否已移動到目標旋轉角來控制電動機的旋轉角。

這種通過使用編碼器檢測電機轉速和旋轉角度的控制方法稱為 反饋控制（閉環(huán)） 。

圖5 伺服電動機圖

步進電機

步進電機是輸入相應脈沖信號時可以旋轉一定角度的電機。

步進電機可以不帶反饋（開環(huán)）使用，因為旋轉角度和旋轉速度取決于施加到電機的脈沖信號的數量以及脈沖之間的間隔。

由于該方法不使用編碼器，因此系統(tǒng)比較簡單。但是，步進電動機運行效率會大大降低。因為它總是以最大電流運行以防止失步。

如果通過使用編碼器檢查其是否按照指令旋轉并反饋結果，就不必保持最大電流，從而降低了系統(tǒng)的功耗。

此外，通過使用編碼器檢查負載狀態(tài)， 可以在不失步的范圍內使執(zhí)行器的運行速度最大化 。這將提高生產率。有時人們稱這種方式使用的電機為步進伺服電機。

圖6 步進電機的使用

檢測旋轉和角度的機制是什么？

圖7 將旋轉運動轉換為旋轉信息的過程

前面，我們提到編碼器是一種檢測旋轉角度，線性位移和速度的傳感器。

傳感器是檢測自然現象變化的元件或電子組件。

例如，光學傳感器檢測光的開/關，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/角度信息作為數字或模擬電信號發(fā)送到外部。

旋轉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。

機械式（接觸式）

圖8 機械（接觸式）編碼器圖

該方法利用可變電阻器檢測旋轉位置，該可變電阻器的電阻與旋轉角度成比例地變化。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地變化。

光學型

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進行計數來檢測電機軸的旋轉量。

圖9 光學編碼器圖

電磁式

圖10 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生的磁場分布的變化。

電動機旋轉時，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位置。

電磁感應式

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變壓器。由于使用電刷的接觸方法，旋轉變壓器旋轉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11 電磁感應編碼器圖

有哪些類型的旋轉和角度信息？

旋轉狀態(tài)是什么？以電機為例，它停止運轉，順時針旋轉，逆時針旋轉，以恒定速度旋轉，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：旋轉量，旋轉速度，旋轉方向和旋轉位置。

旋轉角度

圖12 旋轉量說明

這是有關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，可以通過檢測轉子的磁極的變化來知道轉子的旋轉量，并有效地使電動機旋轉。

轉速

這是有關電機軸旋轉速度的信息。

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速，并執(zhí)行反饋控制，以使電動機軸以伺服放大器設定的速度旋轉。

旋轉方向

這是有關電動機軸旋轉方向（順時針或逆時針）的信息。

在通過從編碼器輸出的脈沖數檢測電動機軸的旋轉量的系統(tǒng)中，如果無法識別旋轉方向，則錯誤地對旋轉量進行計數。

圖13 順時針和逆時針

旋轉位置

這是有關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角度并執(zhí)行反饋控制，同時判斷是否已達到目標旋轉角度。從而實現高精度的位置控制。

總結

本文簡單介紹編碼器的相關概念，編碼器是檢測旋轉角度或線性位移的傳感器；用于需要高速，高精度運行的設備中。通過檢測電動機的轉速和旋轉角來控制電動機的旋轉的方法稱為反饋控制（閉環(huán)方法）。

編碼器分為四種類型：機械，光學，磁性和電磁感應類型。為了使電動機高精度旋轉，需要獲取系統(tǒng)四種信息：旋轉量，旋轉速度，旋轉方向和旋轉位置。

審核編輯：劉清