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编码器分类

  编码器的分类方式有很多，我们这里列举两种分类方式：按检测原理和编码类型

在实际的应用中，这四类编码器并不是相对独立的，它们经过组合后，就变成了光电绝对式、光电增量式、磁电绝对式和磁电增量式这四种编码器。

增量式编码器

  增量式旋转编码器是将设备运动时的位移信息变成连续的脉冲信号，脉冲个数表示位移量的大小。只有当设备运动的时候增量式编码器才会输出信号。编码器一般会把这些信号分为通道 A和通道 B 两组输出，并且这两组信号间有 90° 的相位差。同时采集这两组信号就可以知道设备的运动和方向。除了通道 A、通道 B 以外，很多增量式编码器还会设置一个额外的通道 Z 输出信号，用来表示编码器特定的参考位置，传感器转一圈 Z 轴信号才会输出一个脉冲。增量式编码器只输出设备的位置变化和运动方向，不会输出设备的绝对位置。

绝对式编码器

  绝对式旋转编码器是将设备运动时的位移信息通过二进制编码的方式变成数字量直接输出。这种编码器与增量式编码器的区别主要在内部的码盘。绝对式编码器的码盘利用若干透光和不透光的线槽组成一套二进制编码，这些二进制码与编码器转轴的每一个不同角度是唯一对应的，读取这些二进制码就能知道设备的绝对位置，所以叫它绝对式编码器。绝对式编码器一般常用自然二进制、格雷码或者 BCD 码等编码方式。

混合式绝对式编码器

  混合式绝对式编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则和增量式编码器的输出信息完全相同。

1.2 编码器基本参数

分辨率：指编码器能够分辨的最小单位。对于增量式编码器，其分辨率表示为编码器转轴旋转一圈所产生的脉冲数，即脉冲数/转 (Pulse Per Revolution 或 PPR)。码盘上透光线槽的数目其实就等于分辨率，也叫多少线，较为常见的有 5-6000 线。对于绝对式编码器，内部码盘所用的位数就是它的分辨率，单位是位 (bit)，具体还分单圈分辨率和多圈分辨率。

精度：首先明确一点，精度与分辨率是两个不同的概念。精度是指编码器每个读数与转轴实际位置间的最大误差，通常用角度、角分或角秒来表示。例如有些绝对式编码器参数表里会写 ±20′′，这个就表示编码器输出的读数与转轴实际位置之间存在正负 20 角秒的误差，精度由码盘刻线加工精度、转轴同心度、材料的温度特性、电路的响应时间等各方面因素共同决定。

最大响应频率：指编码器每秒输出的脉冲数，单位是 Hz，也称为 PPS。计算公式：最大响应频率 = 分辨率 * 轴转速/60。

信号输出形式：对于增量式编码器，每个通道的信号独立输出，输出电路形式通常有集电极开路输出、推挽输出、差分输出等。对于绝对式编码器，由于是直接输出几十位的二进制数，为了确保传输速率和信号质量，一般采用串行输出或总线型输出，例如同步串行接口 (SSI)、RS485、CANopen 或 EtherCAT 等，也有一部分是并行输出，输出电路形式与增量式编码器相同。

最大转速：指编码器机械系统所能承受的最高转速。

二、编码器工作原理

  这里主要介绍磁电增量式、光电增量式以及光电绝对式这 3 种常用编码器的工作原理

2.1 磁电增量式

原理：利用霍尔效应，将位移转换成计数脉冲，用脉冲个数计算位移和速度。

磁电增量式编码器的结构包含：磁盘、霍尔传感器以及信号转换电路 3 个部分，其中，磁盘是由一个个交替排布的 S 极和 N 极磁极组成；霍尔传感器可以把磁场的变化转换成电信号的变化，它通常有 A、B 两相（有的还有 Z 相），这两相的安装位置形成一定的夹角，这使得输出的 A、B 两相信号有 90°的相位差；信号转换电路可以把电信号转换成脉冲信号。

  在实际应用中，磁盘会装在电机的转轴上，它会随着电机的转轴旋转，而磁盘上面的 S 极和 N 极就会交替地经过霍尔传感器的 A、B 两相，霍尔传感器就可以把磁盘上的磁场变化转换为电信号的变化，输入到信号转换电路中，经过信号的转换之后，我们就可以得到 A、B 两相脉冲信号了。从上图中可以看到，A、B 两相脉冲信号存在 90°的相位差，当电机正转时，A 相脉冲在前；当电机反转时，则是 B 相脉冲在前。

2.2 光电增量式

原理：利用光电系统，将位移转换成计数脉冲，用脉冲个数计算位移和速度。

增量式编码器都有 A、B 两通道信号输出，这是因为增量式编码器的码盘上有两圈线槽，两圈线槽的之间会错开一定的角度，这个角度会使得光电检测装置输出的两相信号相差 1/4 周期 (90°)。码盘的具体工作方式如下图所示。图中黑色代表透光，白色代表遮光。当码盘转动时，内圈和外圈的线槽会依次透过光线，光电检测装置检测到光线通断的变化，就会相应的输出脉冲信号，因为内外圈遮光和透光时候存在时间差，所以也就有了 A、B 两通道信号的相位差。

根据两相信号变化的先后顺序就可以判断运动方向，记录输出的脉冲个数可以知道位移量的大小，同时通过输出信号的频率就能得到速度。

  一些增量式编码器上会有 4 圈线槽，分别对应 A、B、-A、-B 四相信号，相邻两相信号间也是差1/4 周期，只不过这种编码器会把-A 和-B 两相信号反相，然后叠加到 A、通道 B，用来增强信号。除了通道 A、通道 B 以外，很多增量式编码器还会设置一个额外的通道 Z 输出信号。通道 Z 信号也在码盘上有对应的线槽，不过只有一条，码盘转一圈才会经过一次。通道 Z 信号一般用做参考零位，指示设备位置或者清除积累量。

  增量式编码器计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。需要提高分辨率时，可触发 A、B 两通道信号的上升沿和下降沿对原脉冲数进行倍频。但是当接收设备停机重启后，增量式编码器需要重新寻找参考零点。

  另一种较为常用的增量式编码器是霍尔编码器。霍尔增量式编码器在结构上和光电式几乎相同，只不过检测原理变成了霍尔效应。内部元件也稍有不同，霍尔编码器的码盘上不是线槽，而是不同的磁极，或者有些直接把电机的旋转磁场当作码盘，然后检测装置换成了霍尔传感器。输出和光电式相同，仍然是相位差 1/4 周期的 A、B 两通道信号。

2.3 光电绝对式

原理：当码盘处于不同位置（角度）时，光敏元件根据受光与否转换出相应的电平信号，最后转换成二进制数输出。

  绝对式编码器在总体结构上与增量式比较类似，都是由码盘、检测装置和放大整形电路构成，但是具体的码盘结构和输出信号含义不同。绝对式编码器的码盘上有很多圈线槽，被称为码道，每一条码道内部线槽数量和长度都不同。它们共同组成一套二进制编码，一条码道对应二进制数的其中一个位，通常是码盘最外侧的码道表示最低位，最内侧的码道表示最高位。码道的数量决定了二进制编码的位数，一个绝对式编码器有 N 条码道，它就能输出 N 位二进制数

，且输出二进制数的总个数是 2^N 个。这些二进制数与转轴的机械位置是固定的，和编码器外部因素无关，所以叫做绝对式编码器。在接收设备断电重启后绝对式编码器无需寻找参考零点。

为了避免出现读数错误，可以使用格雷码来解决。下图是一个使用格雷码的码盘，同样的，白色块透光表示 0，黑色块不透光表示 1。码盘上的二进制数逆时针依次增大。图中码盘的码道数与上面的自然二进制码盘完全一致，也能表示 8 个 3 位二进制数，只不过将编码方式换成了格雷码。利用任意相邻的二进制格雷码数都只有一位不同的特性，采用这种编码的码盘在一定程度上克服了自然二进制码盘容易产生读数错误的问题。

绝对式编码器还分为单圈绝对式编码器和多圈绝对式编码器，上面举的两个例子都是针对单圈也就是 360° 以内的情况，当码盘转动超过 360°，输出的编码会重复，这样不符合绝对式编码器数据唯一的要求，所以就出现了多圈绝对式编码器。多圈绝对式编码器的量程可以超过 360°，并且通常超出很多，其内部结构也比单圈的复杂，但是基本原理都是一样的。

对于第 1 种形式的方波信号，如果把两个通道组合起来看的话，可以发现 A 和 B 各自的上升沿和下降沿都能计数，至少在 1/2 个原始方波周期内就可以计数一次，最多 1/4 个原始方波周期。这样计数频率就是原始方波信号的 2 倍或 4 倍，换句话说就是，将编码器的分辨率提高了 2 到 4倍，

图中的方波信号如果只看其中一个通道的上升沿，那计数频率就等于这个通道信号的频率。如果在通道 A 的上升沿和下降沿都进行计数，计数频率就是通道 A 的两倍，即 2 倍频。如果同时对两个通道的上升沿和下降沿都计数，那计数频率就变成了原始信号的 4 倍，即 4 倍频。

  假设有个增量式编码器它的分辨率是 600PPR，能分辨的最小角度是 0.6°，对它进行 4 倍频之后就相当于把分辨率提高到了 600*4=2400PPR，此时编码器能够分辨的最小角度为 0.15°。编码器倍频技术还可用来扩展一些测速方法的速度适用范围。例如电机测速通常使用 M 法进行测量（M法在下节介绍），编码器 4 倍频后可以扩展 M 法的速度下限。

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