技术 | 编码器的分类与使用

编码器是一种集光、机、电技术于一体的速度位移传感器。当编码器轴带动光栅盘旋转时，由发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续的光线，并被接收元件接收，从而产生初始信号，经后继电路处理后输出脉冲或代码信号。编码器具有体积小、重量轻、品种多、功能全、频响高、分辨能力强、力矩小、耗能低、性能稳定、灵敏可靠、寿命长等特点。

一 、编码器的常见类型

编码器主要用来测量机械运动的速度、位置、角度、距离或计数，除了应用在产业机械上外，许多伺服电机也都需要配备编码器，以控制电机的换向、转速及位置，应用范围非常广泛。编码器的种类也有很多，不同类型的编码器功能也有所不同，根据检测原理，编码器可以分为光学式、电磁式、感应式和电容式。根据刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式等。

1.1 增量式编码器

增量式编码器将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示计值的大小。增量式编码器在旋转时有相应的相位输出，需借助后部的判向电路和计数器来实现旋转方向的判别和脉冲数量的增减，它计数的起点可任意设定，并可实现多圈的无限累加和测量，还可以把每转发出的一个零位脉冲Z信号作为参考机械零位，当脉冲固定而需要提高分辨率时，可利用带90度相位差A、B的两路信号对原脉冲数进行倍频。

1.2 绝对值编码器

绝对值编码器旋转时，有与位置一一对应的代码输出，从代码大小的变更即可判别正反方向和位移所处的位置，无需判向电路。它有一个绝对零位代码，当停电或关机后再开机重新测量时，仍可准确地读出停电或关机位置地代码，并准确地找到零位代码。一般情况下绝对值编码器的测量范围为0-360度，但特殊型号也可实现多圈测量。

1.3 正弦波编码器

正弦波编码器也属于增量式编码器，主要的区别在于输出信号是正弦波模拟量信号，而不是数字量信号。它主要是为了满足电气领域的需要，可以用作电动机的反馈检测元件。

为了保证良好的电机控制性能，编码器的反馈信号必须能够提供大量的脉冲，尤其是在转速很低的时候，采用传统的增量式编码器产生大量的脉冲，从许多方面来看都有问题，当电机高速旋转（6000rpm）时，传输和处理数字信号是困难的。在这种情况下，处理给伺服电机的信号所需带宽很容易地超过MHz门限；而采用模拟信号大大减少了这种麻烦，并有能力模拟编码器的大量脉冲。因为采用正弦和余弦信号的内插法，可以获得基本正弦的高倍增加，例如可从每转1024个正弦波的编码器中，获得每转超过1000000个脉冲。接受此信号所需的带宽只要稍许大于100kHz即已足够，内插倍频需由二次系统完成。

1.4 多圈绝对式

运用钟表齿轮机械原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮、多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。

二、编码器的输出信号

2.1 信号序列

一般编码器输出信号除A、B两相（A、B两通道的信号序列相位差为90度）外，每转一圈还输出一个零位脉冲Z。

当主轴以顺时针方向旋转时，A通道信号位于B通道之前；当主轴逆时针旋转时，A通道信号则位于B通道之后。从而由此判断主轴是正转还是反转。

2.2 零位信号

编码器每旋转一周发一个脉冲，称之为零位脉冲或标识脉冲，零位脉冲用于决定零位置或标识位置。要准确测量零位脉冲，不论旋转方向，零位脉冲均被作为两个通道的高位组合输出。由于通道之间的相位差的存在，零位脉冲仅为脉冲长度的一半。

2.3 预警信号

有的编码器还有报警信号输出，可以对电源故障，发光二极管故障进行报警，以便用户及时更换编码器。

三、编码器的常见输出电路

3.1 NPN电压输出和NPN集电极开路输出线路

这种线路仅有一个NPN型晶体管和一个上拉电阻组成，因此当晶体管处于静态时，输出电压是电源电压，它在电路上类似于TTL逻辑，因而可以与之兼容。在有输出时，晶体管饱和，输出转为0VDC的低电平，反之由零跳向正电压。

随着电缆长度、传递的脉冲频率及负载的增加，这种线路形式所受的影响随之增加。因此要达到理想的使用效果，应该考虑这些影响。集电极开路的线路取消了上拉电阻，这种方式晶体管的集电极与编码器电源的反馈线是互不相干的，因而可以获得与编码器电压不同的电流输出信号。

3.2 PNP和PNP集电极开路线路

这种线路与NPN线路是相同，主要的差别是晶体管，它是PNP型，其发射极强制接到正电压，如果有电阻的话，电阻是下拉型的，连接到输出与零伏之间。

3.3 推挽式线路

这种线路用于提高线路的性能，使之高于前述各种线路。事实上，NPN电压输出线路的主要局限性是因为它们使用了电阻，在晶体管关闭时表现出比晶体管高得多的阻抗，为克服些这缺点，在推挽式线路中额外接入了另一个晶体管，这样无论是正方向还是零方向变换，输出都是低阻抗。

推挽式线路在提升频率与特性的同时，有助于实现更远距离的数据传输，即使在高速率条件下也能保持优良的表现，信号饱和电平依旧保持在较低水平，然而与前述逻辑相比，在某些情况下可能较高。任何情况下，推挽式线路都适用于NPN或PNP线路的接收器。

3.4 长线驱动器线路

当运行环境需要随电气干扰或编码器与接收系统之间存在很长的距离时，可采用长线驱动器线路。数据的发送和接收在两个互补的通道中进行，所以干扰受到抑制（干扰是由电缆或相邻设备引起的）。这种干扰可看成“共模干扰”。此外，总线驱动器的发送和接收都是以差动方式进行的，或者说互补 的发送通道上是电压的差。因此对共模干扰它不是第三者，这种传送方式在采用DC5V系统时可认为与RS422兼容； 在特殊芯片 上 ，电源可达DC24V，可以在恶劣的条件（电缆长、干扰强烈等）下使用。

3.5 差动线路

差动线路用在具有正弦长线驱动器的模拟编码器中，这时要求信号的传送不受干扰。像长线驱动器线路那样，对于数字信号产生两个相位相差180度的信号，这种线路特意设置了120欧姆的特有线路阻抗，它与接收器的输入电阻相平衡，而接收器必须有相等的负载阻抗。通常情况下，在互补信号之间并联连，120欧姆的终端电阻就达到了这种目的。

四、编码器的常用术语

4.1 输出脉冲数/转

编码器转动一圈所输出的脉冲数，对于光学式旋转编码器，通常与旋转编码器内部光栅的槽数相同（也可在电路上使输出脉冲数增加到槽数的2-4倍）。

4.2 分辨率

分辨率表示旋转编码器的主轴旋转一周，读出位置数据的最大等分数。

绝对值型编码器不以脉冲形式输出，而以代码形式表示当前主轴位置（角度），它与增量型编码器不同，相当于增量型编码器的“输出脉冲/转”。

4.3 光栅

光学式旋转编码器的光栅有金属和玻璃两种。金属制成的光栅开有通光孔槽，玻璃制成的光栅在玻璃表面涂了一层遮光膜， 并在上面设有透明线条（槽） 。 槽数少的场合，可在金属圆盘上用冲床加工或腐蚀法开槽。

4.4 最大响应频率

最大响应频率是指在1秒内能响应的最大脉冲数。例如最大响应频率为2kHz，就代表1秒内可响应2000个脉冲。 当编码器在高于最大响应频率下使用时 ，其内部电路没有反应，会导致编码器泄漏脉冲； 最大响应频率会影响编码器的最高允许速度，即编码器轴在机械移动时可以承载的最高转速。 在实际使用中，编码器的最大响应频率和最高允许速度这两个参数都应考虑在内，必须使编码器的实际运行状态低于这两个值的规定值才能正常使用。

计算公式：

最大响应转速（rpm）/60×（脉冲数/转）=输出频率（Hz）

最大响应频率（Hz）/（脉冲数/转）×60=轴的转速（rpm）

4.5 输出信号相位差

二相输出时，二个输出脉冲波形的相对时间差。

4.6 输出电压

指输出脉冲的电压。输出电压会因输出电流的变化而有所变化。

4.7 起动转矩

使处于静止状态的编码器轴旋转必要的力矩。一般情况下运转中的力矩要比起动力矩小。

4.8 轴允许负荷

表示可加在轴上的最大负荷，有径向负荷和轴向负荷两种。对于水平方向放置的编码器轴来说，径向负荷是垂直方向的，受力与偏心、偏角等有关；轴向负荷是水平方向的，受力与推拉轴的力有关。这两个力的大小会影响轴的机械寿命。

4.9 轴惯性力矩

表示旋转轴的惯量和对转速变化的阻力。

4.10 转速

转速指示编码器的机械载荷限制。如果超出该限制，将对轴承使用寿命产生负面影响，另外信号也可能中断。

来源： 宫 孔 中国纱线网网友
编辑：中国纱线网新媒体团队

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