如何選擇步進(jìn)電機(jī)配合編碼器？

時(shí)間：2025-10-23 11:19:23

關(guān)鍵字：信號(hào) 編碼器

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[導(dǎo)讀]在確保編碼器具備優(yōu)良質(zhì)量和性能的前提下，我們還需要綜合考慮其性?xún)r(jià)比。由于市場(chǎng)上不同品牌和型號(hào)的編碼器在價(jià)格上可能存在顯著差異，因此，在做出選擇時(shí)，必須全面衡量?jī)r(jià)格、性能以及售后服務(wù)等多個(gè)方面，以便選出最符合自身需求的編碼器產(chǎn)品。

編碼器選擇需根據(jù)分辨率、精度、應(yīng)用場(chǎng)景等核心參數(shù)匹配步進(jìn)電機(jī)與智能系統(tǒng)的需求。以下是關(guān)鍵考量因素及建議：

分辨率與精度

分辨率指編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)，直接影響位置測(cè)量的精細(xì)度。例如，天文觀測(cè)需26位分辨率(即每轉(zhuǎn)產(chǎn)生約46億脈沖)以追蹤恒星微小移動(dòng)，而工業(yè)自動(dòng)化中常用增量式編碼器通常提供32-10000 CPR(每轉(zhuǎn)周期)的分辨率范圍。選擇時(shí)需確保分辨率滿足系統(tǒng)對(duì)定位精度的需求，例如機(jī)床需高精度編碼器實(shí)現(xiàn)微米級(jí)定位。 ?

增量式與絕對(duì)式的選擇

?增量式?：通過(guò)累計(jì)脈沖數(shù)確定位置，適合中低精度場(chǎng)景，成本較低，但斷電后需重新校準(zhǔn)。

?絕對(duì)式?：直接輸出當(dāng)前絕對(duì)位置，斷電后仍可準(zhǔn)確復(fù)位，適合高精度、高可靠性場(chǎng)景(如伺服系統(tǒng))。 ?

安裝與維護(hù)

步進(jìn)電機(jī)通常需通過(guò)聯(lián)軸器連接編碼器，安裝時(shí)需注意軸向和徑向偏差對(duì)精度的影響。光學(xué)編碼器需避免污染物干擾，電磁編碼器更耐環(huán)境干擾但精度稍低。 ?

成本與可靠性

電磁編碼器成本低且抗干擾性強(qiáng)，適合惡劣工業(yè)環(huán)境;光學(xué)編碼器精度高但維護(hù)成本較高。選擇時(shí)需平衡預(yù)算與系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性需求，例如智能車(chē)比賽中常用低成本增量式編碼器實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)速度監(jiān)測(cè)。

編碼器作為一種轉(zhuǎn)換信號(hào)的器件，廣泛應(yīng)用于我們生活的四周。

在智能車(chē)比賽中，需要利用編碼器檢測(cè)車(chē)模的瞬時(shí)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)模速度的閉環(huán)反饋控制，從而使得小車(chē)的控制板能夠根據(jù)賽道路況的變化而執(zhí)行軟件給定的指令，如加速、減速、轉(zhuǎn)彎等。

在天體探索中，科學(xué)家使用大型天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)恒星進(jìn)行追蹤時(shí)，天文望遠(yuǎn)鏡要達(dá)到一定的速度控制精度，就需要選取合適的編碼器。不過(guò)此時(shí)對(duì)編碼器的要求非常高，比如當(dāng)恒星速度為0.004%，需要分辨率為26位的編碼器才能符合測(cè)速要求。

此外，還有電梯專(zhuān)用型編碼器、機(jī)床專(zhuān)用編碼器、伺服電機(jī)專(zhuān)用型編碼器等等，可以說(shuō)編碼器無(wú)處不在。

從步進(jìn)電機(jī)到智能系統(tǒng)，編碼器究竟如何選擇?

那到底什么是編碼器呢?

按照定義來(lái)看，編碼器是將信號(hào)(如比特流)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。

簡(jiǎn)單理解就是，將人類(lèi)不能直接理解的信號(hào)轉(zhuǎn)換成我們?nèi)祟?lèi)能夠直接理解的信號(hào)，以便于我們對(duì)設(shè)備或器件進(jìn)行支配。

編碼器根據(jù)刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)值、混合式。

增量式和絕對(duì)式較為常見(jiàn)，但區(qū)別二者成為了困擾廣大用戶的難題。

因此，在這里只將增量式和絕對(duì)式做一個(gè)對(duì)比，讓用戶在將來(lái)選擇時(shí)，能做出一個(gè)更好的選擇。

首先，兩者的工作原理各不相同：

1、增量式編碼器的工作原理：

增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。

拿倒水來(lái)形容，增量式編碼器好比，找一個(gè)不知道大小的杯子然后往里面倒水，當(dāng)?shù)節(jié)M一次，就把杯子清空一次，然后再倒水，最后根據(jù)倒?jié)M杯子的次數(shù)來(lái)計(jì)算距離。

從構(gòu)造上來(lái)看，增量式編碼器由連接軸、碼盤(pán)、光源和輸出電路等構(gòu)成。其實(shí)，編碼器基本上都是這個(gè)構(gòu)成，下面就不再重復(fù)了。

增量式編碼器由光電發(fā)射器件和接收器件獲得四組正弦波信號(hào)，分別組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差，四組相差360度(即一個(gè)周波)。將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，從而起到增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)的作用;另外，每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。

由于A、B兩相前后相差90度，故可通過(guò)比較A、B兩相哪個(gè)在前來(lái)判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。通過(guò)零位參考位和脈沖數(shù)量來(lái)計(jì)算距離和角度等參量。

2、絕對(duì)式編碼器的工作原理

絕對(duì)式編碼器的碼盤(pán)上有許多道刻線，用以編排編碼器上的每一個(gè)位置。由于每一個(gè)位置都不一樣，所以想知道位移大小，只要知道起始位置和終止位置就可以了，不用像增量式編碼器一樣需要一直計(jì)數(shù)。

還是拿倒水來(lái)舉例，絕對(duì)式編碼器好比，找一個(gè)有刻度的、更高的杯子，往里面倒水，最后根據(jù)起始和終止的刻度來(lái)計(jì)算距離。

從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，絕對(duì)式編碼器光碼盤(pán)上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排，這樣，在編碼器的任意一個(gè)位置，都可以通過(guò)讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的二進(jìn)制編碼(格雷碼)，這也就是n位絕對(duì)編碼器。

這樣的編碼器是由光電碼盤(pán)的機(jī)械位置(起、止位置)決定的，因而不會(huì)受到停電、外界干擾的影響，這也是絕對(duì)式編碼器的優(yōu)良特性之一。

由于這一特性，絕對(duì)式編碼器無(wú)需記憶，無(wú)需找零參考點(diǎn)，而且還不用一直計(jì)數(shù)，因此，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

基于絕對(duì)式編碼器的構(gòu)造，它一定會(huì)面臨著一個(gè)問(wèn)題：計(jì)數(shù)計(jì)到最大值。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，從而出現(xiàn)了多圈絕對(duì)式編碼器。

針對(duì)多圈絕對(duì)式編碼器，常見(jiàn)的有以下三種設(shè)計(jì)方案：

第一種，在編碼器內(nèi)部，用機(jī)械齒輪耦合多個(gè)軸，用來(lái)計(jì)算總的圈數(shù)。

拿倒水舉例子，也就是之前提到的那個(gè)有刻度的杯子，當(dāng)這個(gè)杯子倒?jié)M了時(shí)，再找一個(gè)有刻度的、更大的杯子，把小杯子里的水倒進(jìn)大杯子里，最后大小杯子相加計(jì)算距離。

第二種，就是用電子計(jì)數(shù)器和電容器，來(lái)計(jì)算總共轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。

從步進(jìn)電機(jī)到智能系統(tǒng)，編碼器究竟如何選擇?

還是拿倒水舉例子，這一次當(dāng)有刻度的杯子倒?jié)M了時(shí)，把水倒出來(lái)，同時(shí)使用計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)量倒?jié)M的次數(shù)，最后通過(guò)計(jì)數(shù)器和杯子相加來(lái)計(jì)算距離。

第三種，在一些磁編碼器中，采用韋根金線，并利用韋根效應(yīng)來(lái)計(jì)數(shù)。

以上的三種方法都需要付出一定的代價(jià)，比如說(shuō)第一種，因?yàn)橛玫搅藱C(jī)械齒輪，所以會(huì)給編碼器帶來(lái)磨損，使得精度降低。

至于構(gòu)成多圈絕對(duì)值編碼器的方案，在這里不多過(guò)描述，感興趣的朋友可以去查閱相關(guān)資料。

兩者因?yàn)楣ぷ髟砗蜋C(jī)械構(gòu)成不同，產(chǎn)生了兩個(gè)非常大的區(qū)別：

1、通斷電記憶不同

增量式編碼器沒(méi)有記憶，斷電重啟必須回到參考零位，才能找到需要的位置，每次通斷電都要重新開(kāi)始。

最常見(jiàn)的增量式編碼器就是打印機(jī)掃描儀的定位，每次打印機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)，我們都能聽(tīng)到噼哩啪啦的一陣響，其實(shí)這是打印機(jī)在尋找參考零點(diǎn)，在這之后才能工作。

而絕對(duì)式編碼器有記憶，斷電重啟不用回到零位，即可知道目標(biāo)所在的位置。這使得絕對(duì)式編碼器不會(huì)在過(guò)程中受到干擾，其抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高。

2、碼盤(pán)不同

由于兩者的計(jì)數(shù)方式不相同，因此兩者的碼盤(pán)也相差極大。

碼盤(pán)的不同，是絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器的最大區(qū)別之一。

除以上區(qū)別外，絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器還有很多細(xì)小的區(qū)別：

3、輸出信號(hào)不同

增量式編碼器輸出的是脈沖信號(hào)，而絕對(duì)式編碼器輸出的是一組二進(jìn)制的數(shù)值。

4、計(jì)數(shù)量受限不同

增量式編碼器的轉(zhuǎn)數(shù)不受限制，而絕對(duì)式編碼器不能超過(guò)轉(zhuǎn)數(shù)的量程。

5、應(yīng)用領(lǐng)域不完全相同

有無(wú)斷點(diǎn)記憶使得增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器在應(yīng)用領(lǐng)域上有很大的不同，增量式編碼器更適合用于確定速度，距離或運(yùn)動(dòng)方向，而絕對(duì)式編碼器由于其特性在工控定位領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

6、價(jià)格不一樣

由于絕對(duì)式編碼器的優(yōu)良特質(zhì)，在價(jià)格上比增量式編碼器要高出一些。

有了二者的區(qū)別，我們?cè)賮?lái)看看要選擇編碼器的時(shí)候，需要注意哪些要素：

是否需要斷電保持

如果是需要持續(xù)性檢查的場(chǎng)合就必須使用絕對(duì)式編碼器。

需要的測(cè)量精度

相對(duì)而言，絕對(duì)式編碼器的精度比增量式編碼器的精度會(huì)更高一些。

分辨率

編碼器的分辨率，即電機(jī)轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)。分辨率的高低是影響測(cè)速效果最為關(guān)鍵的因素之一。

需要的最大速度

編碼器的測(cè)速方法分為三類(lèi)：T法、N法和M/T法。

一般來(lái)講，T法在低速區(qū)測(cè)速效果最好，M法在高速區(qū)優(yōu)于T法。M/T法雖然實(shí)現(xiàn)的方法比M和T法都要高很多，但在大多數(shù)情況下，其測(cè)速精度也有優(yōu)于另外兩種。

需要的碼盤(pán)材質(zhì)

編碼器碼盤(pán)的材料有玻璃、金屬、塑料。

從步進(jìn)電機(jī)到智能系統(tǒng)，編碼器究竟如何選擇?

玻璃碼盤(pán)是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高。

金屬碼盤(pán)直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度可能會(huì)受到影響，其熱穩(wěn)定性也要比玻璃的差很多。

塑料碼盤(pán)是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。

? 應(yīng)用場(chǎng)合與需求

首要之務(wù)是明確編碼器的具體應(yīng)用場(chǎng)合及需求。由于不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)幋a器的要求各有差異，因此明確這些需求至關(guān)重要。例如，在步進(jìn)電機(jī)的操控中，編碼器可能被用于提供精準(zhǔn)的位置反饋，從而確保精確操控的實(shí)現(xiàn)。而在智能系統(tǒng)中，編碼器則可能被用于測(cè)量并記錄設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，旨在優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。

02編碼器類(lèi)型編碼器，這一用于測(cè)量和記錄設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的精密儀器，根據(jù)其刻度方法和信號(hào)輸出方式，可分為增量式、絕對(duì)值和混合式三種類(lèi)型。增量式編碼器通過(guò)將位移轉(zhuǎn)化為周期性電信號(hào)，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖，以脈沖數(shù)量來(lái)反映位移大小，非常適合于測(cè)量相對(duì)位移和速度控制等應(yīng)用。而絕對(duì)值編碼器則通過(guò)讀取刻線的明暗變化，生成一組獨(dú)一無(wú)二的二進(jìn)制編碼，從而精準(zhǔn)確定位置，常用于需要精確定位的場(chǎng)合?；旌鲜骄幋a器則巧妙結(jié)合了增量式和絕對(duì)值的優(yōu)點(diǎn)，既適用于測(cè)量相對(duì)位移，又具備精確定位的能力。在選擇編碼器時(shí)，務(wù)必根據(jù)實(shí)際需求來(lái)挑選合適的類(lèi)型。

? 精度與分辨率

編碼器的精度和分辨率是其性能的關(guān)鍵衡量標(biāo)準(zhǔn)。精度，常以分辨率來(lái)體現(xiàn)，分辨率越高，意味著編碼器能更細(xì)微地識(shí)別位移變化。在選擇過(guò)程中，需依據(jù)具體的工藝需求來(lái)定奪分辨率。例如，在那些對(duì)精度要求極高的測(cè)量場(chǎng)景中，可能就需要選用分辨率精細(xì)至微米級(jí)的編碼器。

03工作環(huán)境影響編碼器的工作環(huán)境對(duì)其性能和使用壽命具有顯著影響。不同的工業(yè)環(huán)境中可能存在溫度、濕度、振動(dòng)、灰塵等多種潛在風(fēng)險(xiǎn)因素。因此，在選擇編碼器時(shí)，必須綜合考慮這些環(huán)境因素對(duì)其性能可能產(chǎn)生的影響。例如，在高溫或潮濕的工作環(huán)境中，應(yīng)優(yōu)先選擇具備相應(yīng)防護(hù)等級(jí)的編碼器;而在存在顯著振動(dòng)的場(chǎng)所，則應(yīng)挑選那些耐振動(dòng)性能更強(qiáng)的編碼器，以確保其能夠穩(wěn)定、可靠地工作。

? 輸出信號(hào)類(lèi)型

編碼器的輸出信號(hào)類(lèi)型多種多樣，如脈沖信號(hào)、模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)等，每一種都各有適用范圍。在挑選編碼器時(shí)，務(wù)必關(guān)注其輸出信號(hào)是否與您的控制系統(tǒng)相契合。有些控制系統(tǒng)可能僅能兼容某種特定信號(hào)，因此，確保編碼器的輸出信號(hào)能與控制系統(tǒng)順暢連接至關(guān)重要。

? 安裝方式與空間考量

編碼器的安裝方式對(duì)其性能產(chǎn)生顯著影響。常見(jiàn)的安裝方式包括軸聯(lián)接和法蘭連接等。在挑選過(guò)程中，需依據(jù)設(shè)備的實(shí)際結(jié)構(gòu)及可用空間來(lái)做出明智的選擇。此外，編碼器的尺寸和重量也是不可忽視的因素，它們將直接影響編碼器的安裝和維護(hù)的便捷性。

04知名品牌與供應(yīng)商市場(chǎng)上編碼器品牌眾多，但品質(zhì)與技術(shù)支持卻大相徑庭。挑選知名品牌，往往能確保產(chǎn)品的高品質(zhì)與周到的售后保障。優(yōu)質(zhì)的供應(yīng)商更能提供迅速的技術(shù)支持和維修服務(wù)，從而保障編碼器的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

? 權(quán)衡性?xún)r(jià)比

在確保編碼器具備優(yōu)良質(zhì)量和性能的前提下，我們還需要綜合考慮其性?xún)r(jià)比。由于市場(chǎng)上不同品牌和型號(hào)的編碼器在價(jià)格上可能存在顯著差異，因此，在做出選擇時(shí)，必須全面衡量?jī)r(jià)格、性能以及售后服務(wù)等多個(gè)方面，以便選出最符合自身需求的編碼器產(chǎn)品。

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)和編碼器是不可或缺的組件。步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，而編碼器則用于反饋位置信息。那么，如何合理地選取步進(jìn)電機(jī)和編碼器呢?

一、編碼器類(lèi)型選擇：增量式與絕對(duì)式的權(quán)衡

步進(jìn)電機(jī)搭配編碼器時(shí)，首先需明確編碼器類(lèi)型。增量式編碼器(如1000線/轉(zhuǎn))成本較低，適合短距離重復(fù)定位場(chǎng)景，但斷電后需重新校準(zhǔn);絕對(duì)式編碼器(如17位單圈分辨率)可直接讀取位置信息，適用于高精度或安全關(guān)鍵型應(yīng)用(如醫(yī)療設(shè)備)，但價(jià)格較高。根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)(來(lái)源：IEEE《電機(jī)控制技術(shù)手冊(cè)》)，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域80%的中低精度場(chǎng)景選擇增量式編碼器，而半導(dǎo)體設(shè)備等高端應(yīng)用則傾向絕對(duì)式。

二、關(guān)鍵參數(shù)匹配：分辨率與電機(jī)步距角

編碼器分辨率需與步進(jìn)電機(jī)步距角協(xié)同設(shè)計(jì)。例如：

- 1.8°步距角電機(jī)(200步/轉(zhuǎn))：建議搭配1000-5000 PPR(脈沖每轉(zhuǎn))的編碼器，可實(shí)現(xiàn)±0.036°的理論精度(計(jì)算公式：步距角÷編碼器細(xì)分倍數(shù))。

- 0.9°步距角電機(jī)(400步/轉(zhuǎn))：需選擇2000-10000 PPR編碼器以發(fā)揮高細(xì)分優(yōu)勢(shì)。

若分辨率不足(如僅500 PPR)，會(huì)導(dǎo)致微步控制效果差;過(guò)高則可能超出控制器處理能力。

三、安裝與接口的工程適配

1. 機(jī)械兼容性：

- 軸套式編碼器適合空間受限場(chǎng)景(如機(jī)器人關(guān)節(jié))，但需確保軸徑匹配(常見(jiàn)6mm/8mm)。

- 法蘭式編碼器安裝更穩(wěn)固，適用于振動(dòng)環(huán)境(如CNC機(jī)床)。

2. 信號(hào)輸出協(xié)議：

- TTL/HTL差分信號(hào)抗干擾強(qiáng)，適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)(傳輸距離≤20米)。

- SSI或BiSS-C串行協(xié)議適合高速閉環(huán)系統(tǒng)(波特率可達(dá)10MHz)。