编码器是高精度工业伺服系统中适用性广泛的反馈装置。 了解线性、旋转与正弦编码器的工作原理与其适用的应用场景，以及如何抑制 EMI/RFI 噪声以实现精确可靠的伺服系统控制。
编码器：高精度运动控制的首选反馈方案
编码器可根据三大核心特征分成旋转式/线性编码器、增量式/绝对式编码器或者光学式/磁敏式/接触式（按信号生成方式）编码器。 非接触式编码器比接触式编码器更常见。在这一类别中，我们将重点介绍光学式编码器，此类编码器比磁敏式编码器更常见、更精准。
光学编码器一经问世，便因其在低速和高速应用场景中均可实现精密测量而获得业界认可。 然而，其早期版本有时被认为可靠性不足。 究其根本，多数问题仅因选型不当所致：当安装在重型工业设备上时，振动与温度因素有时会对脆弱的电子元件和光学玻璃码盘造成损坏。
现在的光学编码器更为坚固耐用，改进了对电子元件和光学元件的保护。 即便如此，多数制造商仍建议只在轻载工业场景中使用光学编码器，因为这种场景中的工作温度低于 90ºC 且振动强度低于 20 G。
线性编码器
线性编码器由线性轨道与读数头构成，通常用于跟踪线性运动的系统（例如 X-Y 运动平台和定位工作台）。 线性轨道长度范围可从数英寸延伸至数英尺。 轨道表面蚀刻有刻度线，当运动部件产生位移时，读数头会对刻度线进行扫描。 读数头通过检测多通道提供位置与方向数据。 具备正弦输出的编码器使用额外的内置插值算法模块，以电子方式提升分辨率。
对于需要极高分辨率的设备，线性编码器是该类别中的优质选择。 此类编码器的分辨率通常为 0.1 微米，有些系统甚至可达到 20 纳米。 其典型精度为每米 20 微米，但可能随轨道行程距离的增加呈线性下降。 但是，通过斜率误差校正补偿后，可将误差控制在每米 5 微米以内。
高速运行的设备一般会选用线性编码器，因其运行速度通常比其他反馈装置更高。 可能限制速度的主要因素在于电子计数电路能否保持同步。
光学旋转编码器
光学旋转编码器由光源、旋转码盘和光检测器构成。 码盘通过狭缝或刻度线分割为等距的明暗区域。 这些标记常被称为“线”，因此测量单位为每转线数 (LPR)。 该测量值反映编码器的分辨率或粒度。
编码器精度定义为正 (+) 或负 (–) 给定线数或计数值。 需特别注意：精度与分辨率属于不同属性，尽管二者常有关联。 对于编码器，当计数分辨率提高时，特定计数值内的精度也会随之提升。 这与旋转变压器存在差异：当通过插值算法（例如 16 位对比 12 位）提升分辨率时，旋转变压器的精度并不会增加。 事实上，旋转变压器系统的精度通常仅为分辨率的百分之一，这种情况相当普遍。
当编码器的连接部件旋转时，光检测器会记录光线穿过码盘时的开关模式。 检测器将此开关模式转换为类似方波的电子数字信号。 此类编码器通常采用两列错开半个线距宽度或四分之一完整周期（90 电角度）的狭缝/标记，生成两个被称为通道 A 与通道 B 的电信号。这种错列设计使控制器能判断轴的旋转方向 — 这是驱动器完成启动的重要信息，同时也是伺服系统实现双向运动的关键信息。
除双通道设计外，一些编码器使用附加通道来追踪轴位置或帮助抑制噪声。 这些通道包括索引通道 (Index) 与互补通道 (Complement)。 另一种轴位置追踪方式是添加换向通道或霍尔等效通道。 这些通道代表与电机的 A 相、B 相和 C 相（亦称 U、V、W 相）反电动势对齐。
根据编码器对 A/B 通道的计数方式，分辨率可提升四倍。 当计数电路同时追踪两个信号的上升沿与下降沿时（即正交检测），即可实现分辨率的提升。 提升分辨率可增强系统重复性。 此外，高分辨率还能为位置环与速度环提供更高增益，从而确保系统带宽得到充分利用。
大多数供应商提供每转 50 至 5,000 线的标准编码器分辨率，但分辨率最高可达 100,000 线。 在高精度应用中，系统精度会受到其他误差源影响，例如丝杆累积误差、热膨胀或螺母齿隙。 线性编码器可有效克服这些影响。
正弦编码器
正弦编码器在反馈装置中属于成本、精度与准确度均比较高的产品。 正弦编码器与增量式编码器类似，区别在于通道 A 与 B 的数据通常以 1 V 峰间值正弦波（而非方波）形式发送至控制器。
其优势在于此类装置可对每个完整正弦波进行插值处理，不仅提升了系统分辨率，还为速度控制器提供更多反馈信息。 由此可减少截断误差与量化误差，实现更高的环路增益。
正弦编码器每转可实现超过 200 万计数值，即约 0.62 角秒的分辨率。 该特性使其非常适合需要高精度或具有高惯性负载的场景。
与其他编码器类似，正弦编码器也可配备换向轨道、霍尔仿真轨道或称为 C 和 D 的辅助正弦通道，这些通道可提供单转内的绝对位置。 C 与 D 通道类似于旋转变压器中的正弦与余弦信号。
正弦编码器的一种衍生类型是“多圈正弦编码器”。 多圈编码器通过内部机械齿轮箱、韦根传感器或电池备用机制实现运行。 该设计可在编码器多圈旋转范围内提供绝对定位。 此类编码器每转分辨率最多可达 8192 步，最多支持 8192 轴转数，在插值处理前即可提供总计 26 位的绝对分辨率。
正弦编码器具有高精度、高分辨率和高测量准确性，可满足高速套准、薄膜涂布与卷材控制等场景的需求。 正弦编码器还适用于对平稳旋转要求严苛的低速工况。 在转台、分度装配机与辊轴驱动应用场景中，正弦编码器可帮助运动系统实现高增益、优异的刚度与精准的定位。
抑制噪声
反馈装置可输出电信号或光信号。 采用光传输线传输反馈信号的一个优势在于其能抵抗高噪声或电磁干扰/射频干扰 (EMI/RFI) 环境的影响。此类干扰可能会降低信号质量并导致发送至驱动器的数据失真，从而影响系统实现高质量位置、速度与转矩控制的能力。
以电信号形式传输时，可能需要放大器或信号调节装置来修正受噪声影响的信号。 新一代反馈装置利用 IC 芯片实现信号转换与插值处理，输出抗噪性能更强的波形信号。此类波形不易被噪声破坏，且在通过电缆传输至驱动器的过程中保持强度不衰减。
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请务必阅读我们关于反馈装置的全部三篇博客文章（分别涉及高阶选型标准、霍尔效应传感器与旋转变压器以及本文所述的线性、旋转与正弦编码器），掌握这一关键运动技术主题。 欢迎随时联系科尔摩根工程师，探讨具体应用需求并获得适配您需求的伺服回路技术建议。
