什么是編碼器？

編碼器是將旋轉(zhuǎn)位置的改變轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)。

編碼器是伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制不可缺少的部件，編碼器應(yīng)用在軸的閉環(huán)控制和大多數(shù)的自動(dòng)化控制中。編碼器為閉環(huán)控制提供位置或速度的實(shí)際測(cè)量值。

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一、編碼器的分類

從編碼器的原理和產(chǎn)生的信號(hào)類型，可以將編碼器分為模擬量編碼器和數(shù)字量編碼器；

模擬量編碼器又細(xì)分為旋轉(zhuǎn)變壓器、正余弦編碼器、磁電式增量編碼器，現(xiàn)在的編碼器集成度比較高，哪怕是模擬量編碼器，它的內(nèi)部也集成了AD轉(zhuǎn)換裝置，可以進(jìn)行數(shù)字量輸出，所以最終給到伺服控制器的還是數(shù)字量信號(hào)，這樣伺服控制器內(nèi)部就不需要再對(duì)模擬量進(jìn)行處理。

數(shù)字編碼器又細(xì)分為增量編碼器和絕對(duì)值編碼器，常見(jiàn)的增量編碼器是光電式增量編碼器，有AB兩相脈沖信號(hào)，同時(shí)還有一個(gè)Z相信號(hào)，Z相信號(hào)是旋轉(zhuǎn)一圈就發(fā)出一個(gè)脈沖。絕對(duì)值編碼器直接輸出位置數(shù)據(jù)，位置編碼有二進(jìn)制碼和格雷碼或者BCD碼。

增量型編碼器，在斷電之后需要重新找原點(diǎn)，才能進(jìn)行位置控制。

絕對(duì)型編碼器，在斷電之后不需要重新找原點(diǎn)，可以繼續(xù)進(jìn)行位置控制。

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二、光電增量式編碼器

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光電增量式編碼器原理

光電增量式編碼器是一種比較常見(jiàn)的增量編碼器，它主要由碼盤、發(fā)光管、光電接收管、整型電路組成。碼盤上鍍有擋光材料，同時(shí)沿碼盤一周均勻刻畫出N條通光窗口，也就是碼道。碼盤旋轉(zhuǎn)一圈，將會(huì)產(chǎn)生N次通光和遮光。光電接收管接收到光信號(hào)后產(chǎn)生電壓信號(hào)，電壓再經(jīng)過(guò)放大整型電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)。因?yàn)榇a盤是跟隨電機(jī)的軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，所以對(duì)買中計(jì)數(shù)就可以算出增量位置信息和單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。

光電編碼器的碼盤材料有多種，比如玻璃、金屬、塑料。

玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性和精度都可以達(dá)到很高，但是容易碎；

金屬碼盤是在金屬上刻出通道，不易碎，但是開(kāi)的通孔有一定寬度要求，精度就有所限制，而且金屬的熱穩(wěn)定性比較差，比玻璃差一個(gè)數(shù)量級(jí)；

塑料碼盤是最經(jīng)濟(jì)的，成本低，但是精度，熱穩(wěn)定性，壽命等都要差一些。

光電增量式編碼器通常有三個(gè)通道，通道A、通道B、通道Z；

順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，如上面動(dòng)畫所示，無(wú)需多言；

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逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

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?逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，如上面動(dòng)畫所示，無(wú)需多言。

增量式編碼器是少不了Z相的，不然就不知道零位在哪里，帶增量式編碼器的伺服電機(jī)在運(yùn)行前都需要找一下零位，就是依靠編碼器上的Z相信號(hào)，Z相可以理解為零位。知道了零位，知道了旋轉(zhuǎn)方向，結(jié)合脈沖的個(gè)數(shù)，就知道旋轉(zhuǎn)角度了。

A、B、Z順時(shí)針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的波形

A、B、Z逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的波形?

增量式編碼器倍頻

增量式編碼器有一個(gè)倍頻計(jì)數(shù)，所謂倍頻就是頻率加倍的意思。

如果只利用A相信號(hào)的上升沿或者下降沿，則編碼器旋轉(zhuǎn)一圈的計(jì)數(shù)值就等于碼盤的柵格數(shù)，X1波形所示，只利用B相的上升沿或者下降沿也是一樣的；

如果利用A相信號(hào)的上升沿和下降沿，那信號(hào)頻率就加倍了，實(shí)現(xiàn)2倍頻，X2波形所示；

如果同時(shí)利用A相信號(hào)的上升沿下降沿和B相信號(hào)的上升沿下降沿，就可以實(shí)現(xiàn)4倍頻，X4波形所示；

常見(jiàn)的2500線的編碼器，也就是碼盤上有2500個(gè)碼道，通過(guò)4倍頻，就可以得到2500*4 = 10000的分辨率。

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三、光電絕對(duì)式編碼器

絕對(duì)值編碼器的編碼是由機(jī)械位置決定的，每個(gè)位置式唯一的，它無(wú)需記憶位置，也不需要像Z相信號(hào)那樣的參考點(diǎn)，使用的時(shí)候不需要一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置了就去讀一下，因此絕對(duì)式編碼器的抗干擾能力，數(shù)據(jù)的可靠性比增量式編碼器就要高一些。

絕對(duì)式編碼器又分為單圈絕對(duì)值編碼器和多圈絕對(duì)值編碼器。

單圈絕對(duì)值編碼器：只能用于360度的旋轉(zhuǎn)范圍測(cè)量，超過(guò)360度就回到原點(diǎn)。

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單圈絕對(duì)式編碼器原理

單圈絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器結(jié)構(gòu)是類似的，不同的地方是碼盤和光電探測(cè)器。絕對(duì)式編碼器的碼盤上有N圈光通道刻線，每圈刻線依次以2線、4線、8線、16線這樣的規(guī)律編排，通過(guò)讀取每圈刻線的亮與暗，就可以獲得2的N次方個(gè)唯一的編碼，當(dāng)旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度時(shí)，編碼器又回到原點(diǎn)。

如下圖所示的是有5排狹縫的碼盤角度解析情況

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多圈絕對(duì)式編碼器原理

多圈絕對(duì)值編碼器，是在在單圈的基礎(chǔ)上，再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍。 可以用不同的技術(shù)方案來(lái)檢測(cè)圈數(shù)。常見(jiàn)的有機(jī)械絕對(duì)計(jì)圈和電子增量計(jì)圈兩種。

機(jī)械絕對(duì)計(jì)圈：利用鐘表齒輪的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)齒輪傳動(dòng)另一組碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，圈數(shù)是有范圍限制的，當(dāng)前常見(jiàn)的有4096圈和65536圈這兩種。

電子增量計(jì)圈：通過(guò)電池給存儲(chǔ)器供電，來(lái)達(dá)到多圈計(jì)數(shù)的目的，實(shí)際上就是單圈絕對(duì)，多圈增量，好處是省掉了一組機(jī)械齒輪，體積可以做的比較小。但這不是真正的絕對(duì)編碼區(qū)。

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四、磁電式編碼器

磁性編碼器通常也被稱為磁電式編碼器，是一種角度或者位移測(cè)量裝置。其原理是采用磁阻或者霍爾元件對(duì)變化的磁性材料的角度或者位移進(jìn)行測(cè)量。磁性材料角度或者位移的變化會(huì)引起一定電阻或者電壓的變化，通過(guò)放大電路對(duì)變化量進(jìn)行放大，通過(guò)處理器處理后輸出脈沖信號(hào)或者模擬量信號(hào)，以達(dá)到測(cè)試的目的。

磁性碼盤的磁極數(shù)，磁阻傳感器的數(shù)量以及信號(hào)處理的方式?jīng)Q定了磁性編碼器的分辨率。采用磁場(chǎng)原理產(chǎn)生信號(hào)的優(yōu)勢(shì)是信號(hào)不會(huì)收到灰塵，振動(dòng)、溫度的影響。

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五、旋轉(zhuǎn)變壓器（旋轉(zhuǎn)編碼器）

旋轉(zhuǎn)變壓器的原理

旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓的工作原理基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的繞組是固定的，輸出電壓與輸入電壓比是一個(gè)常數(shù)。而旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊與副邊繞組是隨著轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置的變化，因此其輸出電壓的大小也是隨著轉(zhuǎn)子的角位移變化，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦函數(shù)關(guān)系或者比例關(guān)系。

旋轉(zhuǎn)變壓器的優(yōu)缺點(diǎn)：

相較于光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器更適合于各種惡劣的環(huán)境，如油污，振動(dòng)等環(huán)境。這些場(chǎng)合光電編碼器的碼盤容易被污染，使編碼器的輸出錯(cuò)誤。

旋轉(zhuǎn)編碼器是模擬量傳輸，容易受噪音干擾，分辨率不高。

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六、編碼器的基本參數(shù)

編碼器的分辨率

分辨率是指編碼器能夠分辨的最小單位。

對(duì)于增量式編碼器，其分辨率為旋轉(zhuǎn)一圈，編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，即Pulse Per Revolution，縮寫PPR；

也可以用碼盤上透光線槽的數(shù)目來(lái)表示分辨率，叫做多少線，常用的有5000線，6000線。

對(duì)于絕對(duì)式編碼器，內(nèi)部碼盤所用的位數(shù)就是分辨率，單位是bit。這個(gè)位數(shù)就是碼盤上有多少圈透光孔。1度==60角分==3600角秒。

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編碼器的精度

編碼器的精度是指編碼器每個(gè)讀數(shù)與轉(zhuǎn)軸實(shí)際位置間的最大誤差，通常用角度、角分、角秒來(lái)表示，例如有些絕對(duì)式編碼器參數(shù)表里會(huì)寫±20″，這就表示編碼器輸出的讀數(shù)與轉(zhuǎn)軸實(shí)際位置之間存在±20角秒的誤差。

編碼器的精度由碼盤刻線加工精度、轉(zhuǎn)軸同心度、材料的溫度特性、電路的響應(yīng)等因素決定。

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最大響應(yīng)頻率

最大響應(yīng)頻率是指編碼器每秒輸出的脈沖數(shù)，單位是Hz；計(jì)算公式為

????????????????最大響應(yīng)頻率 = 分辨率*軸轉(zhuǎn)速/60

比如電機(jī)的編碼器分辨率為100，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)每分鐘，則相應(yīng)頻率為100*120/60 = 200Hz,在該轉(zhuǎn)速下，編碼器每秒輸出200個(gè)脈沖。

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信號(hào)輸出形式

對(duì)于增量式編碼器，每個(gè)通道的信號(hào)獨(dú)立輸出，輸出電路形式有集電極開(kāi)路輸出、推挽輸出、差分輸出；

對(duì)于絕對(duì)式編碼器，是直接輸出幾十位的二進(jìn)制數(shù)，為了確保傳輸速率和信號(hào)質(zhì)量，一般采用串行輸出或者總線輸出，如SSI、RS485、CANOPEN、Ethercat等。也有并行輸出的，輸出電路的形式與增量式編碼器相同。

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