旋轉(zhuǎn)編碼器工作方式圖解

1、旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器是由光柵盤(pán)（又叫分度碼盤(pán)）和光電檢測(cè)裝置（又叫接收器）組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光柵盤(pán)與電機(jī)同軸，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管垂直照射光柵盤(pán)，把光柵盤(pán)圖像投射到由光敏元件構(gòu)成的光電檢測(cè)裝置（接收器）上，光柵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的光變化經(jīng)轉(zhuǎn)換后以相應(yīng)的脈沖信號(hào)的變化輸出。編碼器碼盤(pán)的材料有玻璃、金屬、塑料等。玻璃碼盤(pán)是在玻璃上沉積很薄的刻線(xiàn)，其熱穩(wěn)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(wěn)定性也比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí)。塑料碼盤(pán)成本低廉，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。編碼器以信號(hào)

2、原理來(lái)分，有增量式編碼器（SPC）和絕對(duì)式編碼器（APC），顧名思義，絕對(duì)式編碼器可以記錄編碼器在一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)系上的位置，而增量式編碼器可以輸出編碼器從預(yù)定義的起始位置發(fā)生的增量變化。增量式編碼器需要使用額外的電子設(shè)備（通常是PLC、計(jì)數(shù)器或變頻器）以進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，并將脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為速度或運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，而絕對(duì)式編碼器可產(chǎn)生能夠識(shí)別絕對(duì)位置的數(shù)字信號(hào)。綜上所述，增量式編碼器通常更適用于低性能的簡(jiǎn)單應(yīng)用，而絕對(duì)式編碼器則是更為復(fù)雜的關(guān)鍵應(yīng)用的最佳選擇-這些應(yīng)用具有更高的速度和位置控制要求。輸出類(lèi)型取決于具體應(yīng)用。一：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)兩個(gè)光敏接收管來(lái)轉(zhuǎn)化角度碼盤(pán)的時(shí)序和相位關(guān)

3、系，得到角度碼盤(pán)角度位移量的增加（正方向）或減少（負(fù)方向）。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理如下圖所示。圖中A、B兩點(diǎn)的間距為S2，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)光敏接收管，角度碼盤(pán)的光柵間距分別為S0和S1。當(dāng)角度碼盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可知輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)際圖的S0：S1：S2比值相同，同理，當(dāng)角度碼盤(pán)變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)際圖的S0：S1：S2比值仍相同。通過(guò)輸出波形圖可知每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的時(shí)序?yàn)椋何覀儼旬?dāng)前的A、B輸出值保存起來(lái)，與下一個(gè)到來(lái)的A、B輸出值做比較，就可以得出角度碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，如果光柵格S0等于S1時(shí)，也就是S0和S1弧度夾角相同，且S2等于S0的1/2，

4、那么可得到此次角度碼盤(pán)運(yùn)動(dòng)位移角度為S0弧度夾角的1/2，再除以所用的時(shí)間，就得到此次角度碼盤(pán)運(yùn)動(dòng)的角速度。S0等于S1時(shí)，且S2等于S0的1/2時(shí)，1/4個(gè)運(yùn)動(dòng)周期就可以得到運(yùn)動(dòng)方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期才可以得到運(yùn)動(dòng)方向位和位移角度了。我們常用的鼠標(biāo)的滾輪也是這個(gè)原理。實(shí)際使用的增量式編碼器輸出三組方波脈沖A、B和Z（有的叫C相）相。A、B兩組脈沖相位差90º，可以判斷出旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。而Z相脈沖又叫做零位脈沖（有時(shí)也叫索引脈沖），為每轉(zhuǎn)一周輸出一個(gè)脈沖，Z相脈沖代表零位參考位，通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位，專(zhuān)門(mén)

5、用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位，如下圖所示。增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)的脈沖輸出，其計(jì)數(shù)起點(diǎn)可以任意設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)多圈無(wú)限累加和測(cè)量。編碼器軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈會(huì)輸出固定的脈沖數(shù)，脈沖數(shù)由編碼器碼盤(pán)上面的光柵的線(xiàn)數(shù)所決定，編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少通或暗的刻線(xiàn)稱(chēng)為分辨率，也稱(chēng)解析分度、或稱(chēng)作多少線(xiàn)，一般在每轉(zhuǎn)510000線(xiàn)，當(dāng)需要提高分辯率時(shí)，可利用 90 度相位差的 A、B 兩路信號(hào)進(jìn)行倍頻或者更換高分辯率編碼器。增量型編碼器精度取決于機(jī)械和電氣的因素，這些因素有：光柵分度誤差、光盤(pán)偏心、軸承偏心、電子讀數(shù)裝置引入的誤差以及光學(xué)部分的不精確性，誤差存在于任何編碼器中。編碼器的信號(hào)輸出有正弦波（電流或電壓）、方波

6、（TTL、HTL）等多種形式。并且都可以用差分驅(qū)動(dòng)方式，含有對(duì)稱(chēng)的A+/A-、B+/B-、Z+/Z-三相信號(hào)，由于帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)的連接，電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為0，信號(hào)穩(wěn)定衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離，例如： 對(duì)于TTL的帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)150米。對(duì)于HTL的帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)300米。用正弦或余弦信號(hào)分的增量編碼器輸出信號(hào)如下圖所示：用TTL 與 HTL 信號(hào)的增量編碼器輸出信號(hào)如下圖所示：羅克韋爾的MPL系列伺服電機(jī)編碼器輸出采用的是德國(guó)Sick STEGMANN的Hiperface協(xié)議，例如：AB MPL-B640F-MJ

7、24AA伺服電機(jī)的編碼器是Sick的SRM50-HFA0-K01增量式編碼器，信號(hào)輸出采用正弦波形式（SIN+/SIN-、COS+/COS-），而Z相變?yōu)镠iper數(shù)據(jù)通道（DATA+/DATA-）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。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，用于計(jì)數(shù)和測(cè)速、判斷正反向。A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測(cè)量。增量式編碼器的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是大角度有累積誤差，并且無(wú)法輸出軸的絕對(duì)位置信息

8、，比如斷電后發(fā)生了人為轉(zhuǎn)動(dòng)，再上電后就無(wú)法得到它的絕對(duì)位置信息，因?yàn)樗粫?huì)跟蹤任何由編碼器輸出的增量變化，所以開(kāi)機(jī)后要進(jìn)行找零或參考位，必須進(jìn)行返回初始位置操作。二：絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理絕對(duì)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(duì)編碼器。其分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的，也就是說(shuō)精度取決于位數(shù)（n-1）。與增量式編碼器不同，絕對(duì)式編碼器不會(huì)輸出脈沖，而是輸出數(shù)字信號(hào)以指示編碼器位置，并以此位置作為絕對(duì)坐標(biāo)系中的靜態(tài)參

9、照點(diǎn)，因?yàn)橛蓹C(jī)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(jì)數(shù)，電源切除后位置信息也不會(huì)丟失，什么時(shí)候需要知道位置就什么時(shí)候去讀取它的位置，重新啟動(dòng)后系統(tǒng)可立即恢復(fù)運(yùn)動(dòng)，無(wú)需返回初始位置。消除了累計(jì)誤差。單圈絕對(duì)值編碼器：以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光電碼盤(pán)各道刻線(xiàn)，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)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(duì)編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以?xún)?nèi)的測(cè)量，稱(chēng)為單圈絕對(duì)值編碼器。 如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度范圍，就要用到多圈絕對(duì)值編碼器多圈絕對(duì)值編碼器：運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)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

10、單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍，這樣的絕對(duì)編碼器就稱(chēng)為多圈式絕對(duì)編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無(wú)需記憶。多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測(cè)量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多， 這樣在安裝時(shí)不用費(fèi)勁找零點(diǎn)， 將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，從而大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試的難度。三：應(yīng)用中問(wèn)題分析及改進(jìn)措施（一）應(yīng)用中問(wèn)題分析1發(fā)射裝置或接受裝置因機(jī)械震動(dòng)等原因而引起的移位或偏移，導(dǎo)致接收裝置不能可靠的接收到光信號(hào)，而不能產(chǎn)生電信號(hào)。例如；光電編碼器直接用螺栓固定在電機(jī)外殼上，光電編碼器的軸通過(guò)較硬的彈簧片和電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接，因電機(jī)所帶負(fù)載是沖擊性負(fù)載，會(huì)引

11、起電機(jī)轉(zhuǎn)軸和外殼的振動(dòng)。這樣的振動(dòng)速度會(huì)損壞光電編碼器的內(nèi)部功能，造成誤發(fā)脈沖，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或誤動(dòng)作。2光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，受生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素影響。如安裝部位溫度高、濕度大，導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置內(nèi)部的電子元件特性改變或損壞。例如光電檢測(cè)裝置安裝的位置過(guò)于靠近高溫物體而導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置誤發(fā)出信號(hào)或損壞，而引發(fā)生產(chǎn)或人身事故。3生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾源對(duì)光電檢測(cè)裝置產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置輸出波形發(fā)生畸變失真，使系統(tǒng)誤動(dòng)或引發(fā)生產(chǎn)事故。例如；光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)設(shè)備本體，其信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至控制系統(tǒng)的距離一般在20m100m，傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜，但由于電纜的導(dǎo)線(xiàn)電阻及線(xiàn)間電容的影響再加上和其他電纜同在一起敷設(shè)，極易受到各種電磁干擾的影響，因此引起波形失真，從而使反饋到調(diào)速系統(tǒng)的信號(hào)與實(shí)際值的偏差，而導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。（二）改進(jìn)措施1改變光電編碼器的安裝方式。在電機(jī)的基礎(chǔ)上制作一固定支架來(lái)獨(dú)立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動(dòng)機(jī)軸中心必須處于同一水平高度，兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接，以減輕電動(dòng)機(jī)