編碼器原理與應用簡介

???? 位置檢測裝置作為傳動控制的重要組成部分，其作用就是檢測位移量，并發出反饋信號與控制裝置發出的指令信號相比較，若有偏差，經放大后控制執行部件使其向著消除偏差的方向運動，直至偏差等于零為止。為了提高機械裝置的加工精度，必須提高檢測元件和檢測系統的精度。其中以旋轉編碼器，線性編碼器（光柵尺、磁柵尺），旋轉變壓器，測速發電機等比較普遍，其中編碼器是各類機械最常用的檢測裝置之一，用編碼器作為信號檢測的方法，已經廣泛用于數控機床、紡織機械、冶金機械、石油機械、礦山機械、印刷包裝機械、塑料機械、試驗機、電梯、伺服電機、航空、儀器儀表等工業自動化領域。編碼器種類繁多，不同的行業用戶對編碼器的參數、規格要求各不相同。

??? 編碼器以讀出方式來分，有接觸式和非接觸式兩種。接觸式采用電刷輸出，電刷接觸導電區或絕緣區來表示代碼的狀態是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區和不透光區來表示代碼的狀態是“1”還是“0”。

??? 編碼器以檢測原理來分，有光學式、磁式、感應式和電容式。

??? 編碼器以測量方式來分，有直線型編碼器（光柵尺、磁柵尺），旋轉型編碼器。

??? 編碼器以信號原理（刻度方法及信號輸出形式）來分，有增量型編碼器，絕對型編碼器和混合式三種。

??? 一、增量型編碼器（旋轉型）

??? 1、工作原理：

??? 光學編碼器由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環形通、暗的刻線，當圓盤旋轉一個節距時，在發光元件照射下，光敏元件得到A，B信號為具有90度相位差的正弦波，這組信號經放大器放大與整形，得到的輸出方波，A相比B相導前90度，其電壓幅值一般為5V。設A相導前B相時為正方向旋轉，則B相導前A相時即為負方向旋轉，利用A相與B相的相位關系可以判別編碼器的的正轉與反轉，C相產生的脈沖為基準脈沖，又稱零點脈沖，它是軸旋轉一周在固定位置上產生一個脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。AB相脈沖信號經頻率—電壓變換后，得到與轉軸轉速成比例的電壓信號，便可測得速度值及位移量。

??? 磁性編碼器是近年發展起來的一種新型電磁敏感元件，它是隨著光學編碼器的發展而發展起來的。光學編碼器的主要優點是對潮濕氣體和污染敏感，但可靠性差，而磁性編碼器不易受塵埃和結露影響，同時其結構簡單緊湊，可高速運轉，響應速度快（達500～700kHz），體積比光學式編碼器小，而成本更低，且易將多個元件精確地排列組合，比用光學元件和半導體磁敏元件更容易構成新功能器件和多功能器件。在高速度、高精度、小型化、長壽命的要求下，在激烈的市場競爭中，磁性編碼器以其突出特點而獨具優勢，成為發展高技術產品的關鍵之一。

??? 磁性編碼器原理是通過磁力形成脈沖列，產生信號，其特征為將未硫化的橡膠中混合稀土類磁性粉末形成磁性橡膠坯子，硫化粘附在加強環（1）上，形成磁性橡膠環（2），在該磁性橡膠環上以圓周狀交替著磁，產生S極和N極。同時采用新型的SMR（磁敏電阻）或霍爾效應傳感器作為敏感元件，信號穩定、可靠。此外，采用雙層布線工藝，還能使磁性編碼器不僅具有一般編碼器僅有的增量信號及增量信號和指數信號輸出，還具有絕對信號輸出功能。所以，盡管目前約占90%的編碼器均為光學編碼器，但毫無疑問，在未來的運動控制系統中，磁性編碼器的用量將逐漸增多。

??? 2、增量編碼器的分辨率，倍頻與細分技術

??? 增量編碼器碼盤是由很多光柵刻線組成的，有兩個（或4個，以后討論4個光眼的）光眼讀取A,B信號的，刻線的密度決定了這個增量型編碼器的分辨率，也就是可以分辨讀取的最小變化角度值。代表增量編碼器的分辨率的參數是PPR,也就是每轉脈沖數。

??? 增量編碼器的A/B輸出的波形一般有兩種，一種是有陡直上升沿和陡直下降沿的方波信號，一種是緩慢上升與下降，波形類似正弦曲線的Sin/Cos曲線波形信號輸出，A與B相差1/4T周期90度相位，如果A是類正弦Sin曲線，那B就是類余弦Cos曲線。

??? 對于方波信號，A,B兩相相差90度相（1/4T），這樣，在0度相位角，90度，180度，270度相位角,這四個位置有上升沿和下降沿，這樣,實際上在1/4T方波周期就可以有角度變化的判斷，這樣1/4的T周期就是最小測量步距，通過電路對于這些上升沿與下降沿的判斷,可以4倍于PPR讀取角度的變化,這就是方波的四倍頻。這種判斷，也可以用邏輯來做，0代表低，1代表高，A/B兩相在一個周期內變化是0 0，0 1，1 1，1 0 。這種判斷不僅可以4倍頻，還可以判斷旋轉方向。

??? 嚴格地講，方波最高只能做4倍頻，雖然有人用時差法可以分的更細，但那基本不是增量編碼器推薦的，更高的分頻要用增量脈沖信號是SIN/COS類正余弦的信號來做，后續電路可通過讀取波形相位的變化，用模數轉換電路來細分，5倍、10倍、20倍，甚至100倍以上，分好后再以方波波形輸出（PPR）。分頻的倍數實際是有限制的，首先，模數轉換有時間響應問題，模數轉換的速度與分辨的精確度是一對矛盾，不可能無限細分，分的過細，響應與精準度就有問題；其次，原編碼器的刻線精度，輸出的類正余弦信號本身一致性、波形完美度是有限的，分的過細，只會把原來碼盤的誤差暴露得更明顯，而帶來誤差。細分做起來容易，但要做好卻很難，其一方面取決于原始碼盤的刻線精度與輸出波形完美度，另一方面取決于細分電路的響應速度與分辨精準度。例如，德國的工業編碼器，推薦的最佳細分是20倍，更高的細分是其推薦的精度更高的角度編碼器，但旋轉的速度是很低的。

??? 一個增量編碼器細分后輸出A/B/Z方波的，還可以再次4倍頻，但是請注意，細分對于編碼器的旋轉速度是有要求的，一般都較低。另外，如原始碼盤的刻線精度不高、波形不完美，或細分電路本身的限制，細分也許會波形嚴重失真，大小步，丟步等，選用及使用時需注意。

??? 有些增量編碼器，其原始刻線可以是2048線（2的11次方，11位），通過16倍（4位）細分，得到15位PPR ,再次4倍頻（2位），得到了17位（Bit）的分辨率，這就是有些日系編碼器的17位高位數編碼器的得來了，它一般就用“位,Bit”來表達分辨率了。這種日系的編碼器在較快速度時，內部仍然要用未細分的低位信號來處理輸出的，要不然響應就跟不上了，所以不要被它的“17位”迷惑了。

??? 3、增量式編碼器的特點：

??? 增量型編碼器的特點是：非接觸式的，無摩擦和磨損，體積小，重量輕，機構緊湊，安裝方便，維護簡單，驅動力矩小，其具有高精度，大量程測量，反應快，數字化輸出特點；

??? 增量式編碼器非常適合測速度，可無限累加測量。但是存在零點累計誤差，抗干擾較差，接收設備的停機需斷電記憶，開機應找零或參考位等問題，這些問題如選用絕對型編碼器可以解決。

??? 內置電池技術：

??? 有一些編碼器以內置電池來避免斷電的信號丟失，也有一些編碼器以單圈是絕對信號，而多圈圈數信號是內置電池與電路用增量計數的方法來獲得，此為偽絕對型編碼器，其受電池壽命、電池低溫失效、受振電池觸點不良等因數影響，而大大降低可靠性。

??? 4、增量型編碼器的一般應用：

??? 測速，測轉動方向，測移動角度、距離（相對）。

??? 二、絕對型編碼器（旋轉型）

??? 增量式編碼器以轉動時輸出脈沖，通過計數設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計數設備記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產結果出現后才能知道。

??? 解決的方法是增加參考點，編碼器每經過參考點，將參考位置修正進計數設備的記憶位置。在參考點以前，是不能保證位置的準確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點，開機找零等方法。

??? 比如，打印機掃描儀的定位就用的是增量式編碼器原理，每次開機，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點，然后才工作。

??? 這樣的方法對有些工控項目比較麻煩，甚至不允許開機找零（開機后就要知道準確位置），于是就有了絕對式編碼器的出現。

??? 1、工作原理：

??? 絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，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進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對式編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

??? 絕對編碼器由機械位置決定的每個位置的唯一性，它無需掉電記憶，無需找參考點，而且不用一直計數，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數據的可靠性大大提高了。

??? 由于絕對式編碼器在定位方面明顯地優于增量式編碼器，已經越來越多地應用于各種工業系統中的角度、長度測量和定位控制中。但因其高精度，輸出位數較多，如仍用并行輸出，其每一位輸出信號必須確保連接很好，對于較復雜工況還要隔離，連接電纜芯數多，由此帶來諸多不便和降低可靠性，因此，絕對式編碼器在多位數輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出。

??? 2、從單圈絕對值編碼器到多圈絕對值編碼器：

??? 單圈絕對值編碼器，以轉動中測量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當轉動超過360度時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉范圍360度以內的測量，稱為單圈絕對值編碼器。

??? 如果要測量旋轉超過360度范圍，就要用到多圈絕對值編碼器。

??? 編碼器生產廠家運用鐘表齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎上再增加圈數的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對式編碼器就稱為多圈絕對值編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復，而無需記憶。

??? 多圈絕對值編碼器另一個優點是由于測量范圍大，實際使用往往富裕較多，這樣在安裝時不必要費勁找零點，將某一中間位置作為起始點就可以了，而大大簡化了安裝調試難度。

??? 多圈絕對值編碼器在長度定位方面的優勢明顯，已經越來越多地應用于工控定位中。