編碼器基礎(chǔ)知識(shí)

編碼器（encoder）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。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種；按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類。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。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過程無關(guān)。

一、編碼器的分類

根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式，根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。

1.1 增量式編碼器 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖 A、B 和 Z 相；A、B 兩組脈沖相位差 90 度，從而可方便的判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而 Z 相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。

1.2 絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)式編碼器是直接輸出數(shù)字的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼盤，每條道上有透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)樹木是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在嗎盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件，當(dāng)嗎盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀書一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，嗎道必須 N 條嗎道。目前國內(nèi)已有 16 位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。

1.3 混合式絕對(duì)編碼器 混合式絕對(duì)編碼器，它輸出兩組信息，一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。

二、光電編碼器的應(yīng)用

增量型編碼器與絕對(duì)型編碼器區(qū)別

1、角度測(cè)量

汽車駕駛模擬器，對(duì)方向盤旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量選用光電編碼器作為傳感器。重力測(cè)量?jī)x，采用光電編碼器，把他的轉(zhuǎn)軸與重力測(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕軸相連，扭轉(zhuǎn)角度儀，利用編碼器測(cè)量扭轉(zhuǎn)角度變化，如扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)、漁竿扭轉(zhuǎn)釣性測(cè)試等。擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，利用編碼器計(jì)算沖擊是擺角變化。

2、長(zhǎng)度測(cè)量

計(jì)米器，利用滾輪周長(zhǎng)來測(cè)量物體的長(zhǎng)度和距離。

拉線位移傳感器，利用收卷輪周長(zhǎng)計(jì)量物體長(zhǎng)度距離。

聯(lián)軸直測(cè)，與驅(qū)動(dòng)直線位移的動(dòng)力裝置的主軸聯(lián)軸，通過輸出脈沖數(shù)計(jì)量。

介質(zhì)檢測(cè)，在直齒條、轉(zhuǎn)動(dòng)鏈條的鏈輪、同步帶輪等來傳遞直線位移信息。

3、速度測(cè)量

線速度，通過跟儀表連接，測(cè)量生產(chǎn)線的線速度

角速度，通過編碼器測(cè)量電機(jī)、轉(zhuǎn)軸等的速度測(cè)量

4、位置測(cè)量

機(jī)床方面，記憶機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，如鉆床等

自動(dòng)化控制方面，控制在牧歌位置進(jìn)行指定動(dòng)作。如電梯、提升機(jī)等

5、同步控制

通過角速度或線速度，對(duì)傳動(dòng)環(huán)節(jié)進(jìn)行同步控制，以達(dá)到張力控制

三、增量型編碼器（旋轉(zhuǎn)型）

1、工作原理：

由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號(hào)組合成 A、B、C、D，每個(gè)正弦波相差 90 度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為 360 度），將 C、D 信號(hào)反向，疊加在 A、B 兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè) Z 相脈沖以代表零位參考位。

由于 A、B 兩相相差 90 度，可通過比較 A 相在前還是 B 相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤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，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí)，塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。

分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn) 360 度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度 5~10000 線。

2、信號(hào)輸出：

信號(hào)輸出有正弦波（電流或電壓），方波（TTL、HTL），集電極開路（PNP、NPN），推拉式多種形式，其中 TTL 為長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱 A，A-;B，B-;Z，Z-），HTL 也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。

信號(hào)連接—編碼器的脈沖信號(hào)一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC 和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。

如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測(cè)速。

A.B 兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。

A、B、Z 三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測(cè)量。

A、A-，B、B-，Z、Z- 連接，由于帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)的連接，電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為 0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。

對(duì)于 TTL 的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá) 150 米。

對(duì)于 HTL 的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá) 300 米。

3、增量式編碼器的問題：

增量型編碼器存在零點(diǎn)累計(jì)誤差，抗干擾較差，接收設(shè)備的停機(jī)需斷電記憶，開機(jī)應(yīng)找零或參考位等問題，這些問題如選用絕對(duì)型編碼器可以解決。

增量型編碼器的一般應(yīng)用：

測(cè)速，測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，測(cè)移動(dòng)角度、距離（相對(duì)）。

四、絕對(duì)型編碼器（旋轉(zhuǎn)型）

絕對(duì)編碼器光碼盤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，在編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從 2 的零次方到 2 的 n-1 次方的唯一的 2 進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為 n 位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置是唯一的，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

從單圈絕對(duì)值編碼器到多圈絕對(duì)值編碼器

旋轉(zhuǎn)單圈絕對(duì)值編碼器，以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過 360 度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對(duì)編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉(zhuǎn)范圍 360 度以內(nèi)的測(cè)量，稱為單圈絕對(duì)值編碼器。

如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過 360 度范圍，就要用到多圈絕對(duì)值編碼器。

編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過齒輪傳動(dòng)另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍，這樣的絕對(duì)編碼器就稱為多圈式絕對(duì)編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。

多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測(cè)量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多， 這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn)， 將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，而大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試難度。

審核編輯 黃昊宇