旋轉編碼器的工作原理詳解

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來源 | 電子工程專輯

增量式旋轉編碼器通過內部兩個光敏接受管轉化其角度碼盤的時序和相位關係，得到其角度碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負方向）。在接合數字電路特別是單片機後，增量式旋轉編碼器在角度測量和角速度測量較絕對式旋轉編碼器更具有廉價和簡易的優勢。

下面對增量式旋轉編碼器的內部工作原理（附圖）

 

A,B兩點對應兩個光敏接受管，A,B兩點間距為 S2 ,角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。

當角度碼盤以某個速度勻速轉動時，那麼可知輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實際圖的S0：S1：S2比值相同，同理角度碼盤以其他的速度勻速轉動時，輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實際圖的S0：S1：S2比值仍相同。如果角度碼盤做變速運動，把它看成為多個運動周期（在下面定義）的組合，那麼每個運動周期中輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實際圖的S0：S1：S2比值仍相同。

通過輸出波形圖可知每個運動周期的時序為

我們把當前的A,B輸出值保存起來，與下一個A,B輸出值做比較，就可以輕易的得出角度碼盤的運動方向，如果光柵格S0等於S1時，也就是S0和S1弧度夾角相同，且S2等於S0的1/2，那麼可得到此次角度碼盤運動位移角度為S0弧度夾角的1/2，除以所消毫的時間，就得到此次角度碼盤運動位移角速度。

S0等於S1時，且S2等於S0的1/2時，1/4個運動周期就可以得到運動方向位和位移角度，如果S0不等於S1，S2不等於S0的1/2，那麼要1個運動周期才可以得到運動方向位和位移角度了。

我們常用的滑鼠也是這個原理哦。

根據檢測原理，編碼器可分為光學式、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衝A、B和Z相；A、B兩組脈衝相位差90º，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈衝，用於基準點定位。它的優點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗幹擾能力強，可靠性高，適合於長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。 

光電編碼器分類和選擇
　
光電編碼器是利用光柵衍射原理實現位移—數字變換的，從50年代開始應用於工具機和計算儀器，因其結構簡單、計量精度高、壽命長等優點，在國內外受到重視和推廣。近年來更取得長足的發展，在精密定位、速度、長度、加速度、振動等方面得到廣泛的應用。

光電編碼器按編碼方式分為二類：增量式與絕對式。

1、增量式編碼器特點：
增量式編碼器轉軸旋轉時，有相應的脈衝輸出，其計數起點任意設定，可實現多圈無限累加和測量。編碼器軸轉一圈會輸出固定的脈衝，脈衝數由編碼器光柵的線數決定。需要提高分辯率時，可利用 90 度相位差的 A、B 兩路信號進行倍頻或更換高分辯率編碼器。

2、絕對式編碼器特點：
絕對式編碼器有與位置相對應的代瑪輸出，通常為二進位碼或 BCD 碼。從代碼數大小的變化可以判別正反方向和位移所處的位置，絕對零位代碼還可以用於停電位置記憶。絕對式編碼器的測量範圍常規為 0—360 度。
速度計與長度計一般採用增量式編碼器，以下就其參數範圍作簡要的介紹，供選型參考。

（1）光柵線數：

（2）輸出方式：
常規有五種輸出方式：

集電極開路輸出（通用型）

互補輸出

電壓輸出

長線驅動器輸出

UVW 輸出

（3）工作電壓：常規有以下幾種：
5V、12V、24V、5-24V（通用型）、5-30V

（4）防護性能：常規為防油、防塵、抗震型。

（5）彈性聯接器：編碼器軸與用戶軸聯接時，存在同軸誤差，嚴重時將損壞編碼器。要求採用彈性聯接器（編碼器廠家提供選件），解決偏心問題，一般可以做到允許扭矩 <1N.m, 不同軸度<0.2mm，軸向偏角 <1.5度。
彈性聯軸器常用規格為：

（6）安裝使用及注意事項：
編碼器屬於高精密儀器，安裝時不得敲擊和碰撞。軸端聯接避免鋼性聯接，而應採用彈性聯軸器、尼龍齒輪或同步帶聯接傳動。使用轉速不要超過標稱轉速，否則會影響電氣信號。

光電編碼器的簡單認識

　
光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈衝或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器的工作原理如圖所示，在圓盤上有規則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側，安放發光元件和光敏元件。當圓盤旋轉時，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經過整形後變為脈衝，碼盤上有之相標誌，每轉一圈輸出一個脈衝。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90º的兩路脈衝信號，如圖所示。

 

根據檢測原理，編碼器可分為光學式、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、增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈衝A、B和Z相；A、B兩組脈衝相位差90º，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈衝，用於基準點定位。它的優點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗幹擾能力強，可靠性高，適合於長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。

2、絕對式編碼器是利用自然二進位或循環二進位（葛萊碼）方式進行光電轉換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在於圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設計可採用二進位碼、循環碼、二進位補碼等。它的特點是：

（1）可以直接讀出角度坐標的絕對值；
（2）沒有累積誤差；
（3）電源切除後位置信息不會丟失。但是解析度是由二進位的位數來決定的，也就是說精度取決於位數，目前有10位、14位等多種。

3、混合式絕對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用於檢測磁極位置，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。

光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉換原理 轉換成相應的電脈衝或數字量，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數位化等優點。它廣泛應用於數控工具機、迴轉臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。

增量型和絕對值旋轉編碼器

一、增量型旋轉編碼器
軸的每轉動一周，增量型編碼器提供一定數量的脈衝。

周期性的測量或者單位時間內的脈衝計數可以用來測量移動的速度。

如果在一個參考點後面脈衝數被累加，計算值就代表了轉動角度或行程的參數。雙通道編碼器輸出脈衝A、B之間相差為90O，能使接收脈衝的電子設備接收軸的旋轉感應信號，因此可用來實現雙向的定位控制；另外，三通道增量型旋轉編碼器每一圈產生一個稱之為零位信號的脈衝（Z）。

二、增量型絕對值旋轉編碼器

絕對值編碼器為每一個軸的位置提供一個獨一無二的編碼數字值。特別是在定位控制應用中，絕對值編碼器減輕了電子接收設備的計算任務，從而省去了複雜的和昂貴的輸入裝置：而且，當機器合上電源或電源故障後再接通電源，不需要回到位置參考點，就可利用當前的位置值。

單圈絕對值編碼器把軸細分成規定數量的測量步，最大的解析度為13位，這就意味著最大可區分8192個位置+多圈絕對值編碼器不僅能在一圈內測量角位移，而且能夠用多步齒輪測量圈數。多圈的圈數為12位，也就是說最大4096圈可以被識別。總的解析度可達到25位或者33，554，432個測量步數。並行絕對值旋轉編碼器傳輸位置值到估算電子裝置通過幾根電纜並行傳送。

假設串行絕對值編碼器，輸出數據可以用標準的接口和標準化的協議傳送，同時在過去點對點的連接實現了串行數據傳送。

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