編碼器基礎知識

編碼器(encoder)是將信號(如比特流)或數據進(jìn)行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線(xiàn)位移轉換成電信號，前者稱(chēng)為碼盤(pán)，后者稱(chēng)為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種;按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類(lèi)。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個(gè)電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個(gè)數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個(gè)位置對應一個(gè)確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。

一、編碼器的分類(lèi)

根據檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應式和電容式，根據其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。

1.1 增量式編碼器 增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相;A、B兩組脈沖相位差90度，從而可方便的判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個(gè)脈沖，用于基準點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構造簡(jiǎn)單，機械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長(cháng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉動(dòng)的絕對位置信息。

1.2 絕對式編碼器 絕對式編碼器是直接輸出數字的傳感器，在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼盤(pán)，每條道上有透光和不透光的扇形區相間組成，相鄰碼道的扇區樹(shù)木是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數是它的二進(jìn)制數碼的位數，在嗎盤(pán)的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件，當嗎盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進(jìn)制數。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計數器，在轉軸的任意位置都可讀書(shū)一個(gè)固定的與位置相對應的數字碼。顯然，嗎道必須N條嗎道。目前國內已有16位的絕對編碼器產(chǎn)品。

1.3 混合式絕對編碼器 混合式絕對編碼器，它輸出兩組信息，一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能;另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。

二、光電編碼器的應用

增量型編碼器與絕對型編碼器區別

1、角度測量

汽車(chē)駕駛模擬器，對方向盤(pán)旋轉角度的測量選用光電編碼器作為傳感器。重力測量?jì)x，采用光電編碼器，把他的轉軸與重力測量?jì)x中補償旋鈕軸相連，扭轉角度儀，利用編碼器測量扭轉角度變化，如扭轉實(shí)驗機、漁竿扭轉釣性測試等。擺錘沖擊實(shí)驗機，利用編碼器計算沖擊是擺角變化。

2、長(cháng)度測量

計米器，利用滾輪周長(cháng)來(lái)測量物體的長(cháng)度和距離。

拉線(xiàn)位移傳感器，利用收卷輪周長(cháng)計量物體長(cháng)度距離。

聯(lián)軸直測，與驅動(dòng)直線(xiàn)位移的動(dòng)力裝置的主軸聯(lián)軸，通過(guò)輸出脈沖數計量。

介質(zhì)檢測，在直齒條、轉動(dòng)鏈條的鏈輪、同步帶輪等來(lái)傳遞直線(xiàn)位移信息。

3、速度測量

線(xiàn)速度，通過(guò)跟儀表連接，測量生產(chǎn)線(xiàn)的線(xiàn)速度

角速度，通過(guò)編碼器測量電機、轉軸等的速度測量

4、位置測量

機床方面，記憶機床各個(gè)坐標點(diǎn)的坐標位置，如鉆床等

自動(dòng)化控制方面，控制在牧歌位置進(jìn)行指定動(dòng)作。如電梯、提升機等

5、同步控制

通過(guò)角速度或線(xiàn)速度，對傳動(dòng)環(huán)節進(jìn)行同步控制，以達到張力控制

三、增量型編碼器(旋轉型)

1、工作原理：

由一個(gè)中心有軸的光電碼盤(pán)，其上有環(huán)形通、暗的刻線(xiàn)，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D，每個(gè)正弦波相差90度相位差(相對于一個(gè)周波為360度)，將C、D信號反向，疊加在A(yíng)、B兩相上，可增強穩定信號;另每轉輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。

由于A(yíng)、B兩相相差90度，可通過(guò)比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

編碼器碼盤(pán)的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤(pán)是在玻璃上沉積很薄的刻線(xiàn)，其熱穩定性好，精度高，金屬碼盤(pán)直接以通和不通刻線(xiàn)，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩定性就要比玻璃的差一個(gè)數量級，塑料碼盤(pán)是經(jīng)濟型的，其成本低，但精度、熱穩定性、壽命均要差一些。

分辨率—編碼器以每旋轉360度提供多少的通或暗刻線(xiàn)稱(chēng)為分辨率，也稱(chēng)解析分度、或直接稱(chēng)多少線(xiàn)，一般在每轉分度5~10000線(xiàn)。

2、信號輸出：

信號輸出有正弦波(電流或電壓)，方波(TTL、HTL)，集電極開(kāi)路(PNP、NPN)，推拉式多種形式，其中TTL為長(cháng)線(xiàn)差分驅動(dòng)(對稱(chēng)A，A-;B，B-;Z，Z-)，HTL也稱(chēng)推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設備接口應與編碼器對應。

信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計數器、PLC、計算機，PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開(kāi)關(guān)頻率有低有高。

如單相聯(lián)接，用于單方向計數，單方向測速。

A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計數、判斷正反向和測速。

A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。

A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對稱(chēng)負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場(chǎng)為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離。

對于TTL的帶有對稱(chēng)負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達150米。

對于HTL的帶有對稱(chēng)負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達300米。

3、增量式編碼器的問(wèn)題：

增量型編碼器存在零點(diǎn)累計誤差，抗干擾較差，接收設備的停機需斷電記憶，開(kāi)機應找零或參考位等問(wèn)題，這些問(wèn)題如選用絕對型編碼器可以解決。

增量型編碼器的一般應用：

測速，測轉動(dòng)方向，測移動(dòng)角度、距離(相對)。

四、絕對型編碼器(旋轉型)

絕對編碼器光碼盤(pán)上有許多道光通道刻線(xiàn)，每道刻線(xiàn)依次以2線(xiàn)、4線(xiàn)、8線(xiàn)、16 線(xiàn)……編排，這樣，在編碼器的每一個(gè)位置，通過(guò)讀取每道刻線(xiàn)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(jìn)制編碼(格雷碼)，這就稱(chēng)為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤(pán)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(gè)位置是唯一的，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計數，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)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。

從單圈絕對值編碼器到多圈絕對值編碼器

旋轉單圈絕對值編碼器，以轉動(dòng)中測量光電碼盤(pán)各道刻線(xiàn)，以獲取唯一的編碼，當轉動(dòng)超過(guò)360度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，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?xún)鹊臏y量，稱(chēng)為單圈絕對值編碼器。

如果要測量旋轉超過(guò)360度范圍，就要用到多圈絕對值編碼器。

編碼器生產(chǎn)廠(chǎng)家運用鐘表齒輪機械的原理，當中心碼盤(pán)旋轉時(shí)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)另一組碼盤(pán)(或多組齒輪，多組碼盤(pán))，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，這樣的絕對編碼器就稱(chēng)為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復，而無(wú)需記憶。

多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多， 這樣在安裝時(shí)不必要費勁找零點(diǎn)， 將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，而大大簡(jiǎn)化了安裝調試難度。