Richard Anslow and Michael Jackson

據估計，電機消耗了全球約50%的發電量，使其成為可持續性改進的明顯目標，編碼器將在實現這一目標方面發揮關鍵作用。本博客系列將回答有關電機編碼器的一些最常見的問題，涵蓋編碼器技術（包括相對優缺點）、特定應用的性能指標和規格、信號鏈電子和電機控制設計挑戰，并研究一些新興趨勢。第一篇博客探討了運動控制應用不斷變化的性質如何推動對更多高性能電機編碼器的需求，并比較了不同類型編碼器技術的優勢。

開環與閉環電機控制

近幾十年來，工業旋轉設備發生了穩定但重大的轉變，從并網電機轉向逆變器驅動電機。隨著電機驅動的終端設備變得更加高效，這導致了相當大的工藝成本和能源節約。開環電機速度控制可以通過向電機施加變頻電壓（通過逆變器上的脈寬調制）來實現。這種方法在穩態或緩慢變化的動態條件下相當有效，并且在使用開環速度控制的低性能應用中的許多電機驅動器。但是，這種方法也有幾個缺點：

由于沒有反饋，電機速度精度受到限制

由于無法優化電流控制，電機效率差

必須嚴格限制瞬態響應，以免電機失去同步

通過將功率逆變器與高性能電機速度/位置檢測和功率級的電流/電壓閉環反饋相結合，可以顯著提高電機性能和效率（圖 1）。實現這種方法需要電機編碼器，但作為回報，即使在最苛刻的應用中，它也能提供更高質量的電機控制性能和同步。

圖1 閉環逆變器供電電機控制反饋系統

編碼器有什么作用？

編碼器跟蹤旋轉軸的速度和位置 - 可以在閉合反饋回路中提供的信息。在通用伺服驅動器中，編碼器測量軸位置，也可以推斷速度。編碼器提供機器人和離散控制系統所需的精確和可重復的軸位置信息。

主要的編碼器技術有哪些？

帶有光學或磁傳感器的編碼器是使用最廣泛的編碼器之一，但也提供電容式編碼器。

光學編碼器（圖2）通常由一個不透明的玻璃（或塑料）圓盤組成，帶有精細的透明光刻槽，并連接到旋轉軸上。當磁盤旋轉時，來自 LED 的光要么被阻擋，要么在經過插槽時被允許通過。光電二極管檢測到這種光并將其轉換為電信號，該信號被放大和數字化，然后通過有線電纜發送到電機控制器。光學編碼器提供高分辨率和高精度，但容易受到灰塵和污垢的影響，這可能會阻礙光源。此外，它們的玻璃或塑料結構使它們容易受到強烈振動和高溫的影響。

圖2 使用光學換能器的電機編碼器

磁編碼器（圖 3）由一個帶有交變磁極的旋轉金屬盤和一個霍爾效應或磁阻傳感器組成。它 通過檢測磁盤旋轉時磁通場的變化來工作。磁場傳感器提供正弦和余弦模擬輸出信號，這些 信號在發送到控制器之前被放大和數字化。與光學編碼器相比，磁編碼器在存在污染物（如油和污垢）的情況下提供堅固的性能，并且不易受到沖擊和振動的影響。然而，磁編碼器對電動機引起的磁干擾很敏感，并且工作溫度范圍有限。雖然磁編碼器的性能最近有所提高，但它們通常提供的分辨率和精度也低于光學編碼器。

圖3 使用磁傳感器的電機編碼器

審核編輯：郭婷