增量式編碼器與絕對(duì)式編碼器的區(qū)別

來(lái)源：杰特仕光電傳感器

概述

編碼器有兩種方式檢測(cè)位移和位置信息：相對(duì)位置檢測(cè)與絕對(duì)位置檢測(cè)。相對(duì)位置的檢測(cè)方法為增量式，絕對(duì)位置的檢測(cè)方法包括絕對(duì)式和偽絕對(duì)式。相對(duì)式和絕對(duì)式各有優(yōu)缺點(diǎn)，建議大家根據(jù)“測(cè)量目的”正確選用。

用什么樣的電信號(hào)來(lái)表示位置信息

Fig.1 將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為角度信息的過(guò)程

在第二部分中，我們解釋了檢測(cè)位移與位置的方法分為四種類(lèi)型。編碼器有兩種方式檢測(cè)位移與位置信息：相對(duì)位置檢測(cè)和絕對(duì)位置檢測(cè)，并且編碼器輸出的電信號(hào)形式是不同的。相對(duì)位置：移動(dòng)過(guò)了的角度或位移;絕對(duì)位置：當(dāng)前位置與原點(diǎn)位置的距離。

檢測(cè)相對(duì)位置的增量式

檢測(cè)從一個(gè)位置到下一個(gè)位置的移動(dòng)量稱(chēng)為相對(duì)式編碼器。與地圖進(jìn)行類(lèi)比，是一個(gè)相對(duì)位置檢測(cè)類(lèi)型，解釋為“如果你在這條道路上向前走100米，向右走30米，然后就可以找到一家便利店”。相對(duì)位置檢測(cè)的編碼器根據(jù)位移距離輸出脈沖信號(hào)，這種輸出方式稱(chēng)為增量式。讓我們以第二部分中討論的光電編碼器為例。當(dāng)一個(gè)在徑向上帶有狹縫(孔)的圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電編碼器產(chǎn)生脈沖。計(jì)算脈沖的數(shù)量可以看出圓盤(pán)的角度變化(運(yùn)動(dòng))。當(dāng)4個(gè)狹縫排列在整個(gè)圓周時(shí)，每旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)為4個(gè)，因此可以看出1個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)了360°/4=90°;如果狹縫數(shù)量增加到8個(gè)，則一個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)360°/8=45°。如果狹縫的數(shù)量越多，即每旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生脈沖的數(shù)量越大，角度變化的分辨率就越高，運(yùn)動(dòng)就能表現(xiàn)得越精細(xì)。

Fig.2a 4-狹縫增量式編碼器

Fig.2b 8-狹縫增量式編碼器

但是，該方法不能識(shí)別旋轉(zhuǎn)方向的變化。因此，使用2個(gè)相位差為90°e的脈沖來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，這2個(gè)脈沖通常被稱(chēng)為A相脈沖和B相脈沖，旋轉(zhuǎn)方向可以根據(jù)A脈沖或B脈沖哪個(gè)先出現(xiàn)上升沿來(lái)確定。通過(guò)減去反向旋轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，即使過(guò)程中旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，也可以準(zhǔn)確地確定旋轉(zhuǎn)量。

Fig.3a 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)AB脈沖波形

Fig.3b 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)AB脈沖波形

檢測(cè)絕對(duì)位置的絕對(duì)式

直接檢測(cè)距離起始位置有多遠(yuǎn)的編碼器稱(chēng)為絕對(duì)式編碼器。與地圖進(jìn)行類(lèi)比，絕對(duì)式編碼器可以直接告訴你在“上海市浦東新區(qū)人民路22弄”有一家便利店。絕對(duì)式編碼器響應(yīng)來(lái)自微控制器的指令，以串行數(shù)據(jù)或電壓作為輸出傳輸位置信息，這種輸出方式稱(chēng)為絕對(duì)式。我們?cè)俅我怨怆娋幋a器為例，增量式編碼器只有一排狹縫，而絕對(duì)式編碼器則有多排狹縫。例如，如果有4排狹縫，可以用二進(jìn)制碼表示出從0000到1111的16個(gè)角度的絕對(duì)位置;如果有5排狹縫，則可表示出從00000到11111的32個(gè)不同角度;通過(guò)將狹縫增加到8排，你可以看到從00000000到11111111的256個(gè)不同角度的絕對(duì)位置。隨著狹縫排數(shù)的增加，角度變化的分辨率也會(huì)增加，可以更精細(xì)地表示移動(dòng)的角度。

Fig.4a 4排狹縫的絕對(duì)式編碼器

Fig.4b 5排狹縫的絕對(duì)式編碼器

Z脈沖信號(hào)檢測(cè)絕對(duì)角度的偽絕對(duì)式

絕對(duì)位置也可以用增量的方式來(lái)表示。該方法在產(chǎn)生A、B相脈沖狹縫的基礎(chǔ)上，只增加1排狹縫(也只增加1個(gè))，并且每旋轉(zhuǎn)一圈只產(chǎn)生1個(gè)單脈沖，這個(gè)脈沖被稱(chēng)為Z(Zero)脈沖。偽絕對(duì)式是一種通過(guò)檢測(cè)Z相脈沖的旋轉(zhuǎn)量來(lái)檢測(cè)絕對(duì)位置的方法，Z相脈沖是A相和B相脈沖的起始位置。

Fig.5a 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)ABZ脈沖

Fig.5b 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)ABZ脈沖

增量式和絕對(duì)式的優(yōu)缺點(diǎn)增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器各有利弊。檢測(cè)相對(duì)位置的增量式編碼器只有一排狹縫(偽絕對(duì)式為兩排)，因此可以用更低的成本制造碼盤(pán)。但是，檢測(cè)絕對(duì)位置的絕對(duì)式編碼器，狹縫是多排的，所以如果想要增加角度變化的分辨率，那么碼盤(pán)的制造成本將是昂貴的。如果在斷電后重新啟動(dòng)，絕對(duì)式可以檢測(cè)到重新啟動(dòng)時(shí)的位置。但是在使用增量式和偽絕對(duì)式的情況下，由于累計(jì)角度已經(jīng)被刪除，無(wú)法檢測(cè)到重啟時(shí)的位置。另外，由于信號(hào)傳輸系統(tǒng)的原因，絕對(duì)式也是有利有弊。在絕對(duì)式編碼器中有兩種輸出方式，一種是將二進(jìn)制碼作為數(shù)字信號(hào)輸出;另一種是將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為模擬電壓并輸出。此外，對(duì)于數(shù)字信號(hào)也是有兩種輸出方式的，一種是并行輸出，通過(guò)多個(gè)信號(hào)線(xiàn)從多個(gè)狹縫中得到的二進(jìn)制代碼原樣輸出;另一種是串行輸出，使用一個(gè)信號(hào)線(xiàn)傳輸，同時(shí)將并行輸出的多個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并隨時(shí)間順序依次傳輸。

Fig.6 角度信息、數(shù)字輸出信號(hào)的二進(jìn)制編碼和模擬輸出電壓之間的關(guān)系

Fig.7 并行輸出信號(hào)和串行轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)

數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中具有抗噪聲能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。然而，并行輸出的缺點(diǎn)是增加了信號(hào)線(xiàn)的數(shù)量，由于串行輸出需要時(shí)間通信，所以如果電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出的位置信息可能偏離當(dāng)前位置。模擬信號(hào)具有無(wú)時(shí)延、只需一條信號(hào)傳輸線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是在傳輸過(guò)程中容易受到噪聲的影響。如上所述，相對(duì)式編碼器和絕對(duì)編碼器各有優(yōu)缺點(diǎn)，一定要根據(jù)應(yīng)用情況選擇檢測(cè)類(lèi)型。例如，檢測(cè)電機(jī)軸或機(jī)器人手臂的旋轉(zhuǎn)角度是需要絕對(duì)的角度，檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極則只需要相對(duì)的角度。建議您根據(jù)“檢測(cè)目的”來(lái)選用增量式編碼器或絕對(duì)式編碼器。

總結(jié)

編碼器有兩種方式表示位移和位置信息：相對(duì)位置檢測(cè)與絕對(duì)位置檢測(cè)。相對(duì)位置的檢測(cè)方法為增量式，絕對(duì)位置的檢測(cè)方法包括絕對(duì)式和偽絕對(duì)式。相對(duì)式和絕對(duì)式各有優(yōu)缺點(diǎn)，建議大家根據(jù)“測(cè)量目的”正確選用。