关于电机自旋转的编码器检测校正设备及方法的探讨

俞庆丰,陈权,王力

浙江锐鹰传感器技术有限公司，浙江省嘉兴市314000

摘要：编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的装置，是数控机床、工业机器人、汽车、轨道交通等领域上广泛采用的角度检测装置。但现有的编码器校正技术依然存在每检测和校正编码器必拆卸、联轴器自身会出现松动或者打滑、电机适用性范围小的缺陷。现设计了机自旋转的编码器检测校正设备及方法以克服此缺陷，本文从多角度介绍了这种方法。

关键词：编码器 矫正检测 电机自旋转

前言

编码器是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器在装配时或安装于电机之上时，由于轴系精度及敏感元件对位偏差的影响，会产生角度反馈误差，甚至造成编码器误码。编码器误码将造成角度反馈错误，造成飞车等危险；编码器存在反馈误差，会使设备精度丧失。因此，需要在编码器进行测量应用之前对编码器进行检测和校正。

目前的校正技术是通过外在力矩加一个联轴器传递到编码器所在的电机上，这样，编码器轴和电机轴同时被带着旋转。在这个状态下，编码器校正系统开启信号采集，对编码器进行检测和校正。

这种技术依然存在以下缺陷：1、每检测和校正一台编码器，就必须拆卸一次联轴器，浪费工时；2、联轴器自身会出现松动或者打滑，会影响编码器本体信号质量，和校正结果；3、不同规格的电机，要更换不同的联轴装置，适用性范围小。所以需要电机自旋转的编码器检测校正设备及方法，以克服上述现有技术的缺点。

1编码器的介绍

1.1主要分类

编码器可按码盘的刻孔方式不同、信号的输出类型、码器机械安装形式、编码器工作原理来分类。

按码盘的刻孔方式不同分类：（1）增量型：就是每转过单位的角度就发出一个脉冲信号（也有发正余弦信号，然后对其进行细分，斩波出频率更高的脉冲），通常为A相、B相、Z相输出，A相、B相为相互延迟1/4周期的脉冲输出，根据延迟关系可以区别正反转，而且通过取A相、B相的上升和下降沿可以进行2或4倍频；Z相为单圈脉冲，即每圈发出一个脉冲。一般意义上的增量编码器内部无存储器件，故不具有断电数据保持功能，数控机床必须通过“回参考点”操作来确定计数基准与进行实际位置“清零”。（2）绝对值型：就是对应一圈，每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。绝对值编码器的输出可直接反映360°范围内的绝对角度，绝对位置可通过输出信号的幅值或光栅的物理编码刻度鉴别，前者称旋转变压器，后者称绝对值编码器。

按信号的输出类型分为：电压输出、集电极开路输出、推拉互补输出和长线驱动输出。

以编码器机械安装形式分类：（1）有轴型：有轴型又可分为夹紧法兰型、同步法兰型和伺服安装型等。（2）轴套型：轴套型又可分为半空型、全空型和大口径型等。

以编码器工作原理可分为：光电式、磁电式和触点电刷式。

1.2工作原理

由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

由于A、B两相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度，或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。

2编码器的主要作用与应用

编码器通常用于精确测量线性或旋转运动。从它们的结构方式到通讯方式，不同类型的应用场景是有不同差距的。编码器是众多机械系统里的关键部件。他们在大型机械设备实行重复性运作、高精密度原型制作或精细工作中的工业环境里非常常见。

编码器的包括应用CNC加工用编码器：CNC机床需要在面临大型工件和主轴、多轴运动和高速运转时保持位置。编码器在所有部件一起工作以铣削、钻孔和钻孔正确的零件中起到了重大作用。医疗行业的编码器：编码器他们在医疗行业中很突出，它具备准确、安全地测试和诊治人体及其在实验室中开发新程序所需的精确度。例如，你会发现CT和MRI扫描机械中使用编码器有助于保持精确成像与确保患者安全。放射治疗是另一个要精确线性和角度技术且不准许出现错误的应用。机器人中的编码器：不论是制造工厂中拾取和放置设备的关节臂，或是更具有移动性、自动化、引导式机器人，它们都使用编码器。就其本质来说，自动化系统要高效的速度和定位反馈系统才可以在有限人工协助下运作。他们在大多数情况下，外形比较小的编码器最合适机器人设计，所以这些必需的技术都能够集成到尺寸适合其用途的机器人中。

3编码器行业未来趋势

在中国编码器市场，欧美品牌占有高端市场，有30%以上的市场份额，产品价格定位为高端，在重工和风电等新能源范畴具有优势；日韩品牌占有中端市场，也占三分之一以上的市场份额，产品价格定位为中端，在电梯、机床、伺服电机等职业运用较为广泛；中国编码器公司参与着中低端商场的竞赛，产品价格较低，以占市场近半出售量仅取得25%的大陆市场出售比例。

随着这些年中国房地产高速开展，这也带动了电梯的旺盛需求，每年到达20%左右的增长率，这也让编码器迎来了拓展的春天。当前电梯职业运用的编码器的规划仅次于机床范畴。

微型编码器打破医疗设备约束，跟着医疗新式技能的日前升高，家用医疗设备需要的增加也在剧烈的竞赛中随之诞生，例如透析设备、便携式胰岛素泵、胰岛素吸入器和糖尿病办理体系等。些自助式医疗设备的呈现也促进设备制造商推出创新式的商品。因而，微型编码器（电子手轮）也就变成这些便携式医疗设备制造商打破现有精度、功耗、尺度和本钱约束的有用助力。

4技术方案

电机自旋转的编码器检测校正设备，包括放置台9和设置于放置台9上的电机1以及编码器件2，电机1设置有动力引出线11和转动轴12，放置台9上设置有用于固定连接所述动力引出线11线头的连接端91，电机1连接有电机控制装置3，电机控制装置3包括逆变器32以及与逆变器32连接的控制器33，电机控制装置3与连接端91电连接，所述编码器件2包括编码器轴21和电路板22，编码器轴21和转动轴12同轴连接，电路板22电连接有信号采集装置4。

电机控制装置3为变频器，包括逆变器32以及和逆变器32连接的控制器33，电机控制装置3中还设置有整流单元，电机控制装置3的逆变器32通过连接端91和动力引出线11连接，整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电，逆变器32将直流电转化成各种频率、宽度、幅度的方波，这些方波由控制器33进行控制输出，逆变器32产生的方波从而对电机1进行驱动。

最后是信号采集和数据校正，电路板22电连接有信号采集装置4，电机1带动编码器件2做同轴转动，编码器轴21旋转获取有效信号在电路板22处被信号采集装置4所收集，而且，所述编码器件2上设置有存储器，信号采集装置4对信号进行处理和校正之后，最后将得到的校正结果写入编码器件2的内部存储器中。编码器件2根据这个校正结果对自身进行校正。

5相对优势

1、电机1的转动轴12和编码器件2的编码器轴21同轴连接，所以电机1可以带动编码器件2做同轴转动，电机1的主动旋转，带动编码器轴21旋转，使得编码器件2能够获取有效信号，避免引入其他动力带动电机转动轴12的方式，引起的误差。编码器件2为磁编码器或者光电编码器，也可以是电容式编码器、电感式编码器等，也就是说可以适用于多种多样的编码器的检测以及校正的工作。

2、此驱动方式下，不仅结构简单明了，而且电机转速均衡，避免其他连接方式带来的信号抖动和干扰。连接端91的数量至少为一个，可以有多个电机控制装置3对多个电机进行驱动，从而达到可以同时进行多组编码器件2的检测和矫正工作的目的。

3、信号采集装置4对信号处理之后，可以直接对输出信号进行判断，识别信号是否有异常，或对信号进行运算判断信号特性是否正常；也可以对编码器件2输出信号进行判断，并且对相关参数进行计算，得出其与理想参数的差异，并将差异值传输至编码器件2内用于补偿，得以校正编码器件2运行计算的值。放置台包括主体、用于放置电机1的电机放置板以及用于放置编码器件2的编码器放置板，可以有效保证电机驱动过程和编码器数据读取过程的稳定和高效。

结语

编码器都用以测量运动和信号反馈相同通用的目的，但是它们的配置、性能和应用领域差别很大。它们基本上在生活的各个方面都发挥了重要作用，特别是工业和技术追求。当前跟着自动化程度的进步，完成信号变换现已不再是用户的仅有需要，更高的集成度、愈加经用的商品、更丰厚的接口方法等，这些都将是编码器走向智能化的进程。

参考文献

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[2] 基于全样本信息的伪孪生自编码器在支付欺诈识别上的应用研究[D]. 徐丁香.华东师范大学,2022

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