在舞台机械应用中，编码器作为一个重要的传感器，日益占据着核心地位。舞台机械的正确运动在很大程度上依赖于编码器的可靠性安装、电信号传输的稳定性以及计数单元的精度。编码器有多种类型，最常见的是增量编码器和绝对值编码器，后者又分为单圈绝对值编码器和多圈绝对值编码器。根据编码器的内部工作原理，它们可以分为磁性编码器和光电编码器。
在舞台机械应用中，经常会面临一些编码器使用问题，例如多轴驱动的升降舞台。在选择编码器类型时，需要考虑增量编码器和绝对编码器的优劣，并且还要在成本方面进行权衡。在面对这些实际问题时，本文将根据编码器的技术特性，分析在舞台机械应用中选择、安装和使用编码器的方法。
一、编码器的技术特点
编码器的工作原理
编码器主要根据其内部工作原理分为光电编码器和磁性编码器两种类型。
光电编码器的工作原理是通过光电转换将输出轴的机械几何位移转换为脉冲或数字信号。光电编码器由光栅盘和光电传感器组成。在伺服系统中，光栅盘与电机同轴，电机的旋转驱动光栅盘的旋转，通过光电传感器输出若干脉冲信号，可以计算当前电机的速度。光电编码器通常输出A相、B相、Z相信号，其中A相和B相是相位差90°的两个脉冲信号。通过分析这两个信号的状态变化，可以判断电动机的旋转方向。
磁性编码器的结构主要在编码器的旋转轴的一端设置产生磁场的永久磁铁，将霍尔传感器芯片放置在电路板上，根据特定条件接近编码器轴的一端。通过分析通过电路板输出的霍尔传感器的电压信号，可以识别编码器转子的旋转位置。
编码器的信号输出方式
根据编码器信号的输出类型，编码器一般分为增量编码器和绝对值编码器。
增量编码器广泛应用，主要是脉冲输出类型。它将位移转换为周期性电信号，再转换为计数脉冲，脉冲的数量表示位移的大小。通常有A相、B相、Z相的输出，其中A相和B相是延迟其他1/4周期的脉冲输出，可以通过这两个相位的变化来区分正反转，实现电机的速度控制。Z相输出一个单脉冲，用于标记电机的圈数。简言之，每转一圈就发送一个脉冲。
绝对值编码器分为单圈绝对值编码器和多圈绝对值编码器。它们通常采用通信方式与驱动器单元（如PLC、SSI、PROFINET或CANOPEN）交换数据。单圈绝对值编码器通常只能记录编码器单圈的绝对位置，适用于执行单圈旋转运动的场景。多圈编码器有广泛的用途，可以记录编码器实际旋转的圈数。
实现多圈数检测的多圈绝对值编码器方式主要有电池计数寄存器和机械齿轮旋转编码等。
电池计数寄存器的原理很简单，即使用安装在编码器中的微处理器记录、计算和保存编码器的圈数。电池的作用是让编码器能够继续储存和记录圈数。
机械齿轮多涡轮编码器的结构类似于时钟齿轮，即一系列减速齿轮组与主机械轴分阶段啮合，每个级齿轮包括前齿轮和主机械轴，它们之间有整数倍的减速比关系。通过确定各齿轮的旋转角位置，可以检测编码器主机械轴的圈数。机械齿轮多涡轮编码器的绝对位置反馈输出不是根据过去的记录计算的，而是根据当前的机械物理传递机制直接测量的。它不需要电池，不受线路干扰等外部环境的影响，也能从位置检测源获取程序错误信号的安全位置反馈。
二、编码器的安装和使用
编码器的选型
与传统的光学编码器相比，磁性编码器不需要复杂的码盘或光源，结构简单、部件少，传感器的稳定性更高。同时，磁性编码器具有坚固的结构、小巧轻便、长寿命、抗振动性好以及不受灰尘、油、水蒸气和盐水喷雾等污染和腐蚀的影响。
然而，磁性编码器也存在一些缺点，例如容易受到电磁干扰的影响。为了避免温度漂移，还需要采取补偿和保护措施。另一个难以解决的问题是位置反馈。为了实现绝对位置反馈，磁性编码器需要在内部添加信息处理单元和位置存储器单元。尤其是对于多圈绝对值编码器，通常需要添加电池来持续储存和记录圈数。然而，这种方式也存在一些缺点，比如如果电池放电，位置信息将会丢失。
在舞台机械领域，稳定性往往是最主要的要求，因此一般选择光电编码器作为传感器。
编码器的安装位置
编码器的安装方式有几种，包括安装在电机轴上、安装在齿轮箱轴上、以及拉索等安装方法。
通常，编码器主要安装在电机尾轴上，以实现闭环速度控制。通过编码器，逆变器可以实时计算并获取电机的当前运动状态，并相应调整速度。例如，当驱动器希望电机输出稳定在1200rpm的速度，但当前实际电机速度为1150rpm时，驱动器可以通过获取电机输出轴编码器值来了解实际速度偏差，并调整控制策略使速度达到1200rpm。在这个过程中，如果由于其他原因无法提高速度，逆变器将发出相应的警报。使用速度闭环控制有许多优点，例如可以在不同负载条件下以相同的特性运行电机，有利于调整位置环。
在舞台机械应用中，通常需要在电机尾轴上单独安装增量编码器进行速度调整，该编码器通常用于位置调整。对于仅安装一个编码器的低速驱动轴（例如减速器输出轴的位置），通常无法实现速度闭环，只能进行大致位置的闭环控制。此时精度和响应速度都不如闭环控制好。因此，选择编码器的方式应根据实际应用场景而定。在飞轮安装到电机尾轴的应用中，只能选择通孔式编码器。
双编码器的安装方法
在一些特殊应用中，采用双编码器的方式，通常是将增量编码器与绝对值编码器组合使用。另外，也有两种增量编码器的配置方式。通常情况下，设备的两个编码器具有不同的功能。其中，增量编码器主要用于速度闭环控制，多数逆变器只支持使用增量编码器进行速度闭环控制，而有些逆变器也支持使用编码器多圈绝对值进行速度闭环控制；第二个编码器用于定位。
为了达到SIL3（Safety Integrity Level 3）的安全水平，有些系统中配置了两个编码器来比较编码器输出。当一个编码器发生故障时，可以快速检测到异常情况，防止特定编码器故障引发危险事件的发生。
对于某些应用场景，比如多个电机驱动同一个刚性设备时，可以采用增量绝对值多圈式编码器的配置方式，多圈绝对值编码器通常安装在运动端，使用电缆传感器等测量最终位置，实现多设备之间的位置精确对比。在这种情况下，如果没有安装多圈绝对值编码器，增量编码器将持续累积误差，导致多个驱动器之间的最终位置偏移，从而引发设备倾斜或力分布不均等危险情况。
目前已经有一些双输出编码器的解决方案，即一个编码器可以输出增量信号和多圈绝对值信号。这样可以将两个编码器安装在同一位置上，安装过程简单方便。但这种方式可能存在增量输出信号和多圈绝对值输出信号同时出现异常的问题。例如，由于轴松动，两个编码器信号同时产生异常，造成异常结束时间。为了避免这些问题，可以使用单独的编码器将两个编码器安装在不同的位置上，特别是在电机尾轴和减速器轴等安装多圈绝对值编码器。
三、结论
在舞台机械应用中，对于编码器的选择并没有一种通用的解决方案，而是根据具体应用情况来决定。在选择编码器时，不仅要考虑其性能指标，还要考虑价格和使用环境等因素。由于安全要求的不断提高，双编码器的使用
