位置传感器的应用原理二（旋转编码器、旋转变压器）
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本文讨论的内容有以下几个方面:
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第一个问题“旋转变压器总结”讨论如下：
1? 电机驱动与控制
本人工作两年，从事新能源汽车领域电驱动系统方向，主要精力集中于电机驱动器的开发，做过的项目中有BLDC、PMSM等中小功率电机（100W-45KW）控制，目前手头在做无位置传感器PMSM电机的控制，作为一名知识工作者，一毕业忙于工作，疏于对知识的管理、分析、总结，故写此篇文章一方面在于约束自己，另一方面分享知识，与业内同行有个交流的机会，能认识更多的同行何乐而不为呢。
对PMSM电机的矢量控制少不了对旋变的一些了解，下面是我总结的三点，有不对的地方还请各位指教，献丑，往后会时常更新电机控制方面的工作总结及实用知识。
1.旋变部分
Q1.旋转变压器的工作原理
励磁绕组的励磁电流产生交变磁通，在次级输出绕组中感生出电动势。当转子转动时，励磁绕组和次级输出绕组相对位置发生变化，因为感应电动势也发生变化，输出两相绕组在空间上正交90°电角度，成正余弦变化。励磁电压10V以下，励磁频率一般为10KHZ.
2 ?bjb
支持一下，旋变的阻抗也是一个比较重要的参数，会影响到波形的正弦度。与控制关联密切的还有旋变的初始角以及旋变信号的诊断。
3? ralap_1986
Q3??旋变的精度不仅与解密芯片有关，还与自身的电气精度有关系，这里的12bit只是分辨率而已， 对于磁阻型旋变精度是不可能达到12bit的。
4? 电机驱动与控制
首先谢谢你的意见，这里我想说的是：旋变自身的精度主要是指阻抗方面，从外部施加的励磁信号如果调节不够精准，会影响它的精度，另一方面解码芯片采样频率的设置，一般为10KHZ，这是影响旋变另一精度的原因，这种理解可有错误？
5? 电机驱动与控制
?? 2.初始角与诊断一般通过解码芯片都可以较方便实现。
3.另问一下：BLDC电机和PMSM电机反电动势不一样的原因是由于转子和气隙中的哪个造成的，我之前理解不同的原因是转子结构造成的，由于转子结构不同，所以定子磁场和转子磁场在气隙中作用后，在回到定子侧的反电动势就不一样。是否是这个原因？
6? bjb
谢谢支持，
1.你指旋变的阻抗也是一个比较重要的参数，我的理解是它会影响正余弦的幅值，从而影响精度是这样子吗？
?答：目前我遇到的情况不能支持你的这种说法，对于电流环工作方式的激励电路，不同的阻抗不会影响幅值，但电压环工作方式的会影响。只要电压反馈值处于解码电压范围，就不会对精度造成影响。
?2.初始角与诊断一般通过解码芯片都可以较方便实现。
?答：初始角不怎么方便。
?3.另问一下：BLDC电机和PMSM电机反电动势不一样的原因是由于转子和气隙中的哪个造成的，我之前理解不同的原因是转子结构造成的，由于转子结构不同，所以定子磁场和转子磁场在气隙中作用后，在回到定子侧的反电动势就不一样。是否是这个原因？
答：根据反电势方程，不一样的原因应该是磁通Φ，有的书上把它称为气隙磁通。这样的话更大的原因就是气隙造成的。
7 ?kingsr
8? ralap_1986
9? srui
Q3.旋变的精度
旋变的精度与解码芯片的精度有关?
旋变的精度与解码芯片的精度没有半毛钱关系，旋变的电气和机械误差只和本身的结构参数有关，降低旋变的电气和机械误差可以通过绕组补偿抑制谐波等方式来达到，和解码芯片的精度没有半毛钱关系。
10 ertanse
首先谢谢你的意见，这里我想说的是：旋变自身的精度主要是指阻抗方面，从外部施加的励磁信号如果调节不够精准，会影响它的精度，另一方面解码芯片采样频率的设置，一般为10KHZ，这是影响旋变另一精度的原因，这种理解可有错误？
你所说的解码芯片采样频率一般为10KHz，这个采样频率怎么理解？你是不是要表达解码芯片配置的输出激磁频率？
第二个问题“旋转变压器与电机零位对零调零安装的三种方法”讨论如下：
11 ?bankuai
方案一：
国内应用最广的一种方式了，因为只需要一个直流电源和一个旋变的解算装置即可对零。通常的做法是：先对电机绕组通一低压直流电，U相接正，V相或VW相接负，此时电机转子会被拉倒一个固定位置。通常来说UV相的接法更好，因为VW相同时接负时由于绕组的不平衡可能误差反而会增大。然后调节旋变的定子安装环，也有调节转子的情况，旋变调到与电机的角度相同。这个角度与接线方式有关，UV接法为0°，UVW接法为30°，而实际调整的角度需要除以极对数。实际偏差约为1~2°。
方案二：
用仪器测试电机和旋变的零位偏差具体实施来说也有两种方法，其一就是用方案一的形式，将电机拉倒零位然后测试此时的旋变电角度值。其二更为先进些，让电机带动旋变低速旋转，这时可以通过波形解算的方式获得电机和旋变的零点，计算这两个零点的相位差就可以分析出电机与旋变的零位偏差。这种方案通常是具有电机和控制器自主生产的厂家才会考虑，否则由于每台电机的电机零点偏差不一致会给驱动器的匹配带来困难。
方案三：
这种“自适应”调零的方案很显然就是将方案二中的计算方式内置到了驱动器中。
第三个问题“关于增量式编码器的安装问题”讨论如下：
12 ?求知5奋进
目前设计了一台永磁同步电机，但是需要安装个位置编码器，打算用增量式编码器，但是没有接触过这个东西。所以想请教下大家，增量式编码器如何安装在电机上，什么AB 信号，Z脉冲，这几路信号需要与电机相连吗？连在什么位置？谢谢大家了。
13 ?linchuan1111
14 ?baton400
15 ?kaku2013
如果测取位置信息，需要采用绝对值型编码器；且编码器的转动体和固定体的相对位置有讲究；测取转角（转速）信号，采用增量型编码器；两种编码器的引出信号线数量及定义不一样，但都是接到控制器内的；信号接法与电机无关；
16 阿彪
第四个问题“旋转编码器应用注意事项”讨论如下：
17 ?pat
一．※ 有网友问：增量旋转编码器选型有哪些注意事项？
应注意三方面的参数：
1．机械安装尺寸，包括定位止口，轴径，安装孔位；电缆出线方式；安装空间体积；工作环境防护等级是否满足要求。
2．分辨率，即编码器工作时每圈输出的脉冲数，是否满足设计使用精度要求。
3．电气接口，编码器输出方式常见有推拉输出（F型HTL格式），电压输出（E），集电极开路（C，常见C为NPN型管输出，C2为PNP型管输出），长线驱动器输出。其输出方式应和其控制系统的接口电路相匹配。
二．※ 有网友问：请教如何使用增量编码器？
1.增量型旋转编码器有分辨率的差异，使用每圈产生的脉冲数来计量，数目从6到5400或更高，脉冲数越多，分辨率越高；这是选型的重要依据之一。
2.增量型编码器通常有三路信号输出（差分有六路信号）：A,B和Z，一般采用TTL电平，A脉冲在前，B脉冲在后，A,B脉冲相差90度，每圈发出一个Z脉冲，可作为参考机械零位。一般利用A超前B或B超前A进行判向，我公司增量型编码器定义为轴端看编码器顺时针旋转为正转，A超前B为90°，反之逆时针旋转为反转B超前A为90°。也有不相同的，要看产品说明。
3.使用PLC采集数据，可选用高速计数模块；使用工控机采集数据，可选用高速计数板卡；使用单片机采集数据，建议选用带光电耦合器的输入端口。
4.建议B脉冲做顺向（前向）脉冲，A脉冲做逆向（后向）脉冲，Z原点零位脉冲。
5.在电子装置中设立计数栈。
三．※ 关于户外使用或恶劣环境下使用
四．※ 从接近开关、光电开关到旋转编码器：
柔性化：定位可以在控制室柔性调整；
现场安装的方便和安全、长寿：拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个µ到几十、几百米的距离，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装问题，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。
多功能化：除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。
经济化：对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，以及更主要的安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。
如上所述优点，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。
五. ※? 关于电源供应及编码器和PLC连接：
一般编码器的工作电源有三种：5Vdc、5-13 Vdc或11-26Vdc。如果你买的编码器用的是11-26Vdc的，就可以用PLC的24V电源，需注意的是：
1． 编码器的耗电流，在PLC的电源功率范围内。
2． 编码器如是并行输出，连接PLC的I/O点，需了解编码器的信号电平是推拉式（或称推挽式）输出还是集电极开路输出，如是集电极开路输出的，有N型和P型两种，需与PLC的I/O极性相同。如是推拉式输出则连接没有什么问题。
3． 编码器如是驱动器输出，一般信号电平是5V的，连接的时候要小心，不要让24V的电源电平串入5V的信号接线中去而损坏编码器的信号端。（我公司也可以做宽电压驱动器输出（5-30Vdc），有此要求定货时要注明）
六. ※在很多的情况之下是编码器并没有坏，而只是干扰的原因，造成波型不好，导致计数不准。请教如何进行判断？谢谢！
编码器属精密元件，这主要因为编码器周围干扰比较严重，比如：是否有大型电动机、电焊机频繁起动造成干扰，是否和动力线同一管道传输等。
选择什么样的输出对抗干扰也很重要，一般输出带反向信号的抗干扰要好一些，即A+~A-,B+~B-,Z+~Z-，其特征是加上电源8根线，而不是5根线(共零)。带反向信号的在电缆中的传输是对称的，受干扰小，在接受设备中也可以再增加判断（例如接受设备的信号利用A、B信号90°相位差，读到电平10、11、01、00四种状态时，计为一有效脉冲，此方案可有效提高系统抗干扰性能（计数准确））。
就是编码器也有好坏，其码盘\电子芯片\内部电路\信号输出的差别很大，要不然怎么一个1000线的增量型编码器会从300多元到3000多元差别那么大呢?
①排除(搬离、关闭、隔离)干扰源，②判断是否为机械间隙累计误差，③判断是否为控制系统和编码器的电路接口不匹配（编码器选型错误）；①②③方法偿试后故障现象排除，则可初步判断，若未排除须进一步分析。
判断是否为编码器自身故障的简单方法是排除法。现在我公司编码器已大规模生产，技术生产已成熟运用，产品故障率控制在千分之几。排除法的具体方法是：用一台相同型号的编码器替换上去，如果故障现象相同，可基本排除是编码器故障问题，因为两台编码器同时有故障的小概率事件发生可能很小，可以看作为0。假如换一台相同型号编码器上去，故障现象立刻排除，则可基本判定是编码器故障。
七. ※请教一下，何为长线驱动？普通型编码器能否远距离传送？
答：长线驱动也称差分长线驱动，5V，TTL的正负波形对称形式，由于其正负电流方向相反，对外电磁场抵消，故抗干扰能力较强。
普通型编码器一般传输距离是100米，如果是24V HTL型且有对称负信号的，传输距离300-400米。
八. ※有网友问：能否简单介绍旋转编码器检测直线位移的方法？
1.使用“弹性连轴器”将旋转编码器与驱动直线位移的动力装置的主轴直接联轴。
2.使用小型齿轮（直齿，伞齿或蜗轮蜗杆）箱与动力装置联轴。
3.使用在直齿条上转动的齿轮来传递直线位移信息。
4.在传动链条的链轮上获得直线位移信息。
5.在同步带轮的同步带上获得直线位移信息。
6.使用安装有磁性滚轮的旋转编码器在直线位移的平整钢铁材料表面获得位移信息（避免滑差）。
7.使用类似“钢皮尺”的“可回缩钢丝总成”连接旋转编码器来探测直线位移信息（数据处理中须克服叠层卷绕误差）。
8.类似7，使用带小型力矩电机的“可回缩钢丝总成”连接旋转编码器来探测直线位移信息（目前德国有类似产品，结构复杂，几乎无叠层卷绕误差）。
九. ※? 求教：增量光栅Z信号可否作零点？圆光栅编码器如何选用？
十. ※请教两个问题：增量型编码器和绝对型编码器有何区别？做一个伺服系统时怎么选择呢？
十一. ※绝对型旋转编码器选型注意事项，旋转编码器和接近开关、光电开关优势比较：
十二. ※从增量式编码器到绝对式编码器
旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。
解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。
比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。
这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。
绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。。。。。。编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。
绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。
由于绝对编码器在位置定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。
测速度需要可以无限累加测量，目前增量型编码器在测速应用方面仍处于无可取代的主流位置。
十三. ※能不能告诉我选用绝对型编码器应注意哪些事项？
(一).机械部分:
1.测长度还是测角度，测长度如何通过机械方式转换(在上面有一些介绍，如不清楚可来电讨论)。测角度是360度内(单圈)，还是可能过360度(多圈)。生产过程是一个方向旋转循环工作，还是来回方向循环工作。
2.轴连接安装形式，有轴型通过软性联轴器连接，还是轴套型连接。
3.使用环境：粉尘,水气,震动,撞击?
(二)电气部分
1.连接的输出接收部分是什么?
2.信号形式?
3.分辨率要求?
4.控制要求?
十四. ※从单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器
旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。
如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对式编码器。
编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。
多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。
多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中。
十五. ※能介绍一下绝对型编码器的串行和并行输出的详细一点的信息，谢谢！
并行输出：
绝对型编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。但是并行输出有如下问题：
1.必须是格雷码，因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。
2.所有接口必须确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判断。
3.传输距离不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。
4.对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。
串行输出：
串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。
串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和可靠性就大大提高了，一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。
由于绝对型编码器的部分知名厂家在德国，所以串行输出大部分是与德国的西门子配套的，如SSI同步串行输出，总线型是PROFIBUS-DP的输出等。
串行输出编码器连接德国西门子的设备是比较容易的，但是连接非德国系的设备，接口就是问题了，我公司提供各种接口输出的仪表，可以解决这样的问题。
串行：时间上，数据按照约定，有先后；空间上，所有位数的数据都在一组线缆上（先后）发出。
十六. ※串行编码器应该都是绝对式的?
十七. ※有网友问：为什么叫“绝对型编码器”？
十八. ※有网友问：光电编码器、光学电子尺和静磁栅绝对编码器的优缺点？
光电编码器：
1.优点：体积小，精密，本身分辨度可以很高(目前我公司通过细分技术在直径φ66的编码器上可达到54000cpr) ，无接触无磨损；同一品种既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位移；多圈光电绝对编码器可以检测相当长量程的直线位移(如25位多圈)。寿命长，安装随意，接口形式丰富，价格合理。成熟技术，多年前已在国内外得到广泛应用。
2.缺点：精密但对户外及恶劣环境下使用提出较高的保护要求；量测直线位移需依赖机械装置转换，需消除机械间隙带来的误差；检测轨道运行物体难以克服滑差。
光学电子尺：
1.优点：精密，本身分辨度较高（可达到0.005mm）；体积适中，直接测量直线位移；无接触无磨损，测量间隙宽泛；价格适中，接口形式丰富，已在国内外金属切削机械行业得到较多应用（如线切割、电火花等）。
2.缺点：测量直线和角度要使用不同品种；量程受限制（量程超过4m，生产制造困难价格昂贵），不适于在大量程恶劣环境处实施位移检测。
静磁栅绝对编码器：
1.优点：体积适中，直接测量直线位移，绝对数字编码，理论量程没有限制；无接触无磨损，抗恶劣环境，可水下1000米使用；接口形式丰富，量测方式多样；价格尚能接受。
2.缺点：分辨度1mm不高；测量直线和角度要使用不同品种；不适于在精小处实施位移检测（大于260毫米）。
十九. ※我是个新手，想请问，一个圆盘，分50个点，要实现定位控制，转速很慢，是要用到绝对型编码器吗？怎么找原点呢？50个位置定位是360度均匀等分吗？谢谢
如果可以用参考点的话，也可以用增量式的，因速度慢，应该选3000线或以上的，每圈一个零位。
二十. 请简单介绍：RS-232、RS-422与RS-485标准及应用？
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