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，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360度），將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。

由于A、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(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，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，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤(pán)直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí)，塑料碼盤(pán)是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。

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

基本分類

編碼器如以信號(hào)原理來(lái)分可分為

增量脈沖編碼器:SPC

脈沖編碼器:APC

兩者一般都應(yīng)用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測(cè)元件.

增量型編碼器與型編碼器的區(qū)分

按照工作原理編碼器可分為增量式和式兩類。

增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。

旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過(guò)計(jì)數(shù)設(shè)備來(lái)知道其位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來(lái)記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動(dòng)，當(dāng)來(lái)電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過(guò)程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移，而且這種偏移的量是無(wú)從知道的，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。

解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn)，開(kāi)機(jī)找零等方法。

比如，打印機(jī)掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理，每次開(kāi)機(jī)，我們都能聽(tīng)到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點(diǎn)，然后才工作。

這樣的方法對(duì)有些工控項(xiàng)目比較麻煩，甚至不允許開(kāi)機(jī)找零（開(kāi)機(jī)后就要知道準(zhǔn)確位置），于是就有了編碼器的出現(xiàn)。

型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，因其每一個(gè)位置*、抗干擾、無(wú)需掉電記憶，已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長(zhǎng)度測(cè)量和定位控制。

編碼器光碼盤(pán)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(gè)位置，通過(guò)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*的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位編碼器。這樣的編碼器是由碼盤(pán)的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的*性，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，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(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

由于編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于工控定位中。型編碼器因其高精度，輸出位數(shù)較多，如仍用并行輸出，其每一位輸出信號(hào)必須確保連接很好，對(duì)于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來(lái)諸多不便和降低可靠性，因此，編碼器在多位數(shù)輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出，德國(guó)生產(chǎn)的型編碼器串行輸出zui常用的是SSI（同步串行輸出）。

 信號(hào)輸出

信號(hào)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(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。

信號(hào)連接—編碼器的脈沖信號(hào)一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)算機(jī)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(jì)數(shù)，單方向測(cè)速。

A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。

A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測(cè)量。

A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)的連接，在后續(xù)的差分輸入電路中，將共模噪聲抑制，只取有用的差模信號(hào)，因此其抗*力強(qiáng)，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。

對(duì)于TTL的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)150米。

旋轉(zhuǎn)編碼器由精密器件構(gòu)成，故當(dāng)受到較大的沖擊時(shí)，可能會(huì)損壞內(nèi)部功能，使用上應(yīng)充分注意。

 原理特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)編碼器是集光機(jī)電技術(shù)于一體的速度位移傳感器。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器軸帶動(dòng)光柵盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)發(fā)光元件發(fā)出的光被光柵盤(pán)狹縫切割成斷續(xù)光線，并被接收元件接收產(chǎn)生初始信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)后繼電路處理后，輸出脈沖或代碼信號(hào)。其特點(diǎn)是體積小，重量輕，品種多，功能全，頻響高，分辨能力高，力矩小，耗能低，性能穩(wěn)定，可靠使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

1、增量式編碼器

增量式編碼器軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)的相位輸出。其旋轉(zhuǎn)方向的判別和脈沖數(shù)量的增減，需借助后部的判向電路和計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其計(jì)數(shù)起點(diǎn)可任意設(shè)定，并可實(shí)現(xiàn)多圈的無(wú)限累加和測(cè)量。還可以把每轉(zhuǎn)發(fā)出一個(gè)脈沖的Z信號(hào)，作為參考機(jī)械零位。當(dāng)脈沖已固定，而需要提高分辨率時(shí)，可利用帶90度相位差A(yù)，B的兩路信號(hào)，對(duì)原脈沖數(shù)進(jìn)行倍頻。

2、值編碼器

值編碼器軸旋轉(zhuǎn)器時(shí)，有與位置一一對(duì)應(yīng)的代碼（二進(jìn)制，BCD碼等）輸出，從代碼大小的變更即可判別正反方向和位移所處的位置，而無(wú)需判向電路。它有一個(gè)零位代碼，當(dāng)停電或關(guān)機(jī)后再開(kāi)機(jī)重新測(cè)量時(shí)，仍可準(zhǔn)確地讀出停電或關(guān)機(jī)位置地代碼，并準(zhǔn)確地找到零位代碼。一般情況下值編碼器的測(cè)量范圍為0～360度，但特殊型號(hào)也可實(shí)現(xiàn)多圈測(cè)量。

3、正弦波編碼器

正弦波編碼器也屬于增量式編碼器，主要的區(qū)別在于輸出信號(hào)是正弦波模擬量信號(hào)，而不是數(shù)字量信號(hào)。它的出現(xiàn)主要是為了滿足電氣領(lǐng)域的需要－用作電動(dòng)機(jī)的反饋檢測(cè)元件。在與其它系統(tǒng)相比的基礎(chǔ)上，人們需要提高動(dòng)態(tài)特性時(shí)可以采用這種編碼器。

為了保證良好的電機(jī)控制性能，編碼器的反饋信號(hào)必須能夠提供大量的脈沖，尤其是在轉(zhuǎn)速很低的時(shí)候，采用傳統(tǒng)的增量式編碼器產(chǎn)生大量的脈沖，從許多方面來(lái)看都有問(wèn)題，當(dāng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)（6000rpm）時(shí)，傳輸和處理數(shù)字信號(hào)是困難的。在這種情況下，處理給伺服電機(jī)的信號(hào)所需帶寬（例如編碼器每轉(zhuǎn)脈沖為10000）將很容易地超過(guò)MHz門(mén)限；而另一方面采用模擬信號(hào)大大減少了上述麻煩，并有能力模擬編碼器的大量脈沖。這要感謝正弦和余弦信號(hào)的內(nèi)插法，它為旋轉(zhuǎn)角度提供了計(jì)算方法。這種方法可以獲得基本正弦的高倍增加，例如可從每轉(zhuǎn)1024個(gè)正弦波編碼器中，獲得每轉(zhuǎn)超過(guò)1000，000個(gè)脈沖。接受此信號(hào)所需的帶寬只要稍許大于100KHz即已足夠。內(nèi)插倍頻需由二次系統(tǒng)完成。

 輸出信號(hào)

1、信號(hào)序列

一般編碼器輸出信號(hào)除A、B兩相（A、B兩通道的信號(hào)序列相位差為90度）外，每轉(zhuǎn)一圈還輸出一個(gè)零位脈沖Z。。

當(dāng)主軸以順時(shí)針?lè)较?/a>旋轉(zhuǎn)時(shí)，按下圖輸出脈沖，A通道信號(hào)位于B通道之前；當(dāng)主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A通道信號(hào)則位于B通道之后。從而由此判斷主軸是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

正弦輸出編碼器輸出的差分信號(hào)如下圖所示：旋轉(zhuǎn)編碼器2、零位信號(hào)

編碼器每旋轉(zhuǎn)一周發(fā)一個(gè)脈沖，稱之為零位脈沖或標(biāo)識(shí)脈沖，零位脈沖用于決定零位置或標(biāo)識(shí)位置。要準(zhǔn)確測(cè)量零位脈沖，不論旋轉(zhuǎn)方向，零位脈沖均被作為兩個(gè)通道的高位組合輸出。由于通道之間的相位差的存在，零位脈沖僅為脈沖長(zhǎng)度的一半。

3、預(yù)警信號(hào)

有的編碼器還有報(bào)警信號(hào)輸出，可以對(duì)電源故障，發(fā)光二極管故障進(jìn)行報(bào)警，以便用戶及時(shí)更換編碼器。

一 NPN/PNP開(kāi)路集電極輸出（NPN/PNP Open Collector)：旋轉(zhuǎn)編碼器zui基本的輸出方式，抗*力差，輸出有效距離短。在旋轉(zhuǎn)編碼器中用于增量型編碼器輸出，現(xiàn)已較少使用。

傳輸介質(zhì)：所有導(dǎo)線，光纖，無(wú)線電

高頻特性：佳

右圖為NPN開(kāi)路集電集輸出。

二 線驅(qū)動(dòng)（TTL/RS422）旋轉(zhuǎn)編碼器：

對(duì)稱的正負(fù)信號(hào)輸出，抗*力強(qiáng)，zui大傳輸距離1000m.

傳輸介質(zhì)：雙絞線

高頻特性：佳

在旋轉(zhuǎn)編碼器乃至現(xiàn)今工業(yè)控制系統(tǒng)作為電氣連接接口使用非常普遍。

三 推挽輸出（Push-Pull)：

組合了PNP和NPN兩種輸出，對(duì)稱的正負(fù)信號(hào)輸出，可以方便地駁接單端接收，抗*力強(qiáng)，（差分接收）；zui大傳輸距離100m。

傳輸介質(zhì)：雙絞線（差分接收）；所有導(dǎo)線，光纖，無(wú)線電（單端接收）。

高頻特性：好

四 其它：

其它的接口方式還有RS232（C），RS485以及編碼器常用的SSI，各種現(xiàn)場(chǎng)總路線（如Profibus,Devicenet,CANopen等）。

 常用術(shù)語(yǔ)

■輸出脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)

旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)一圈所輸出的脈沖數(shù)發(fā)，對(duì)于光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器，通常與旋轉(zhuǎn)編碼器內(nèi)部的光柵的槽數(shù)相同（也可在電路上使輸出脈沖數(shù)增加到槽數(shù)的2倍4倍）。

■分辨率

分辨率表示旋轉(zhuǎn)編碼器的主軸旋轉(zhuǎn)一周，讀出位置數(shù)據(jù)的zui大等分?jǐn)?shù)。值型不以脈沖形式輸出，而以代碼形式表示當(dāng)前主軸位置（角度）。與增量型不同，相當(dāng)于增量型的“輸出脈沖/轉(zhuǎn)” 。

■光柵

光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器，其光柵有金屬和玻璃兩種。如是金屬制的，開(kāi)有通光孔槽；如是玻璃制的，是在玻璃表面涂了一層遮光膜，在此上面沒(méi)有透明線條（槽）。槽數(shù)少的場(chǎng)合，可在金屬圓盤(pán)上用沖床加工或腐蝕法開(kāi)槽。在耐沖擊型編碼器上使用了金屬的光柵，它與金屬制的光柵相比不耐沖擊，因此在使用上請(qǐng)注意，不要將沖擊直接施加于編碼器上。

■zui大響應(yīng)頻率

是在1秒內(nèi)能響應(yīng)的zui大脈沖數(shù)

（例：zui大響應(yīng)頻率為2KHz，即1秒內(nèi)可響應(yīng)2000個(gè)脈沖）

公式如下

zui大響應(yīng)轉(zhuǎn)速（rpm）/60×（脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)）=輸出頻率Hz

■zui大響應(yīng)轉(zhuǎn)速

是可響應(yīng)的zui高轉(zhuǎn)速，在此轉(zhuǎn)速下發(fā)生的脈沖可響應(yīng)公式如下：

zui大響應(yīng)頻率（Hz）/ （脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)）×60=軸的轉(zhuǎn)速rpm

■輸出波形

輸出脈沖（信號(hào)）的波形。

■輸出信號(hào)相位差

二相輸出時(shí)，二個(gè)輸出脈沖波形的相對(duì)的的時(shí)間差。

■輸出電壓

指輸出脈沖的電壓。輸出電壓會(huì)因輸出電流的變化而有所變化。各系列的輸出電壓請(qǐng)參照輸出電流特性圖

■起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

使處于靜止?fàn)顟B(tài)的編碼器軸旋轉(zhuǎn)必要的力矩。一般情況下運(yùn)轉(zhuǎn)中的力矩要比起動(dòng)力矩小。

■軸允許負(fù)荷

表示可加在軸上的zui大負(fù)荷，有徑向和軸向負(fù)荷兩種。徑向負(fù)荷對(duì)于軸來(lái)說(shuō)，是垂直方向的，受力與偏心偏角等有關(guān)；軸向負(fù)荷對(duì)軸來(lái)說(shuō)，是水平方向的，受力與推拉軸的力有關(guān)。這兩個(gè)力的大小影響軸的機(jī)械壽命

■軸慣性力矩

該值表示旋轉(zhuǎn)軸的慣量和對(duì)轉(zhuǎn)速變化的阻力

■轉(zhuǎn)速

該速度指示編碼器的機(jī)械載荷限制。如果超出該限制，將對(duì)軸承使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響，另外信號(hào)也可能中斷。

■格雷碼

格雷碼是高級(jí)數(shù)據(jù)，因?yàn)槭菃卧嚯x和循環(huán)碼，所以很安全。每步只有一位變化。數(shù)據(jù)處理時(shí)，格雷碼須轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制碼。

■工作電流

指通道允許的負(fù)載電流。

■工作溫度

參數(shù)表中提到的數(shù)據(jù)和公差，在此溫度范圍內(nèi)是保證的。如果稍高或稍低，編碼器不會(huì)損壞。當(dāng)恢復(fù)工作溫度又能達(dá)到技術(shù)規(guī)范

■工作電壓

編碼器的供電電壓  

注意事項(xiàng)

（1）安裝

安裝時(shí)不要給軸施加直接的沖擊。

編碼器軸與機(jī)器的連接，應(yīng)使用柔性連接器。在軸上裝連接器時(shí)，不要硬壓入。即使使用連接器，因安裝不良，也有可能給軸加上比允許負(fù)荷還大的負(fù)荷，或造成撥芯現(xiàn)象，因此，要特別注意。

軸承壽命與使用條件有關(guān)，受軸承荷重的影響特別大。如軸承負(fù)荷比規(guī)定荷重小，可大大延長(zhǎng)軸承壽命。

不要將旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行拆解，這樣做將有損防油和防滴性能。防滴型產(chǎn)品不宜*浸在水、油中，表面有水、油時(shí)應(yīng)擦拭干凈。

（2）振動(dòng)

加在旋轉(zhuǎn)編碼器上的振動(dòng)，往往會(huì)成為誤脈沖發(fā)生的原因。因此，應(yīng)對(duì)設(shè)置場(chǎng)所、安裝場(chǎng)所加以注意。每轉(zhuǎn)發(fā)生的脈沖數(shù)越多，旋轉(zhuǎn)槽圓盤(pán)的槽孔間隔越窄，越易受到振動(dòng)的影響。在低速旋轉(zhuǎn)或停止時(shí)，加在軸或本體上的振動(dòng)使旋轉(zhuǎn)槽圓盤(pán)抖動(dòng)，可能會(huì)發(fā)生誤脈沖。

（3）關(guān)于配線和連接

誤配線，可能會(huì)損壞內(nèi)部回路，故在配線時(shí)應(yīng)充分注意：

① 配線應(yīng)在電源OFF狀態(tài)下進(jìn)行，電源接通時(shí)，若輸出線接觸電源，則有時(shí)會(huì)損壞輸出回路。

② 若配線錯(cuò)誤，則有時(shí)會(huì)損壞內(nèi)部回路，所以配線時(shí)應(yīng)充分注意電源的極性等。

3 若和高壓線、動(dòng)力線并行配線，則有時(shí)會(huì)受到感應(yīng)造成誤動(dòng)作成損壞，所以要分離開(kāi)另行配線。

④ 延長(zhǎng)電線時(shí)，應(yīng)在10m以下。并且由于電線的分布容量，波形的上升、下降時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，有問(wèn)題時(shí)，采用施密特回路等對(duì)波形進(jìn)行整形。

⑤ 為了避免感應(yīng)噪聲等，要盡量用zui短距離配線。向集成電路輸入時(shí)，特別需要注意。

6 電線延長(zhǎng)時(shí)，因?qū)w電阻及線間電容的影響，波形的上升、下降時(shí)間加長(zhǎng)，容易產(chǎn)生信號(hào)間的干擾（串音），因此應(yīng)用電阻小、線間電容低的電線（雙絞線、屏蔽線）。

對(duì)于HTL的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)300米