編 碼 器 基 本 原 理

編碼器基本原理

一、概述將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量(位移)轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)，這類傳感器稱為編碼器又稱數(shù)字編碼器。編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而廣泛用于各種位移測(cè)量。編碼器的種類很多。按其結(jié)構(gòu)形式有直線式編碼器和旋轉(zhuǎn)式編碼器。由于許多直線位移是通過轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，因此旋轉(zhuǎn)式編碼器應(yīng)用更為廣泛。2021/6/271

編碼器按其檢測(cè)原理分為電磁式、接觸式、光電式等。光電式編碼器具有非接觸和體積小的特點(diǎn)，分辨率高，它作為精密位移傳感器在自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前我國已有23位光電編碼器，為科學(xué)研究、軍事、航天和工業(yè)生產(chǎn)提供了對(duì)位移量進(jìn)行精密檢測(cè)的手段。旋轉(zhuǎn)式編碼器又分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)脈沖進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，一般還需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn)才能完成角位移測(cè)量。2021/6/272

絕對(duì)式編碼器不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及計(jì)數(shù)系統(tǒng)，它在任意位置都可給出與位置相對(duì)應(yīng)的固定數(shù)字碼輸出。1增量型編碼器（incrementalencoder）增量型編碼器每轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生一系列的脈沖，脈沖的數(shù)量可表示角位移的測(cè)量。編碼器內(nèi)有一圓盤——編碼盤。通常為一光學(xué)玻璃，碼盤最外圈的碼道上均布有相當(dāng)數(shù)量的透光與不透光的扇形區(qū)域，用來產(chǎn)生記數(shù)脈沖的增量碼道，扇形區(qū)的多少?zèng)Q定了編碼器的分辨率，扇形區(qū)越多2021/6/273分辨率越高。例如：一個(gè)每轉(zhuǎn)5000的增量形編碼器，其碼盤上共有5000個(gè)透光和不透光的扇形區(qū)域。這個(gè)碼盤被安裝到編碼器的旋轉(zhuǎn)軸上增量式編碼器的碼盤刻線間距均等，對(duì)應(yīng)每一個(gè)分辨率區(qū)間，可輸出一個(gè)增量脈沖。2021/6/274

光源發(fā)出平行且定向的光束照到碼盤上，光敏元件接受被調(diào)制的光線，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。用一些數(shù)字電子元器件將信號(hào)放大，并整形出正交波的脈沖系列，由電纜傳出。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

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可辨向光柵盤結(jié)構(gòu)和辨向原理如圖2，有A相、B相和Z相三條環(huán)帶。A相和B相在碼盤上互相錯(cuò)半個(gè)區(qū)域，在相位上相差1/4周期，在波形上相差900，即相互垂直。利用B相的上升沿觸發(fā)檢測(cè)A相的狀態(tài)，由此判斷旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)碼盤以某個(gè)方向勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)(如CW),A相超前B相首先導(dǎo)通;當(dāng)碼盤反方向(CCW)勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相滯后于B相。2021/6/276

采用簡(jiǎn)單的邏輯電路判斷編碼器輸出的A相和B相輸出脈沖時(shí)序便可確定碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。并且對(duì)A相或者B相的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，得出旋轉(zhuǎn)的角位移或者角速度。如果碼盤做變速運(yùn)動(dòng)，可把它看做多個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的組合，其辨向方法和速度計(jì)算方法相同。Z相脈沖用來設(shè)置碼盤旋轉(zhuǎn)每周的清零，作為軸的初始位置計(jì)算當(dāng)前的角度(360。范圍內(nèi))。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(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)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。2021/6/2772021/6/2782、絕對(duì)型編碼器（旋轉(zhuǎn)型）

絕對(duì)編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線，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次方的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置是唯一的，它無需記憶，無需找參考點(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。

2021/6/2793、光電編碼器

光電式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤(碼盤)、狹縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。碼盤由光學(xué)玻璃制成，其上到有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。碼盆構(gòu)造如圖2所示，它是一個(gè)8位二進(jìn)制碼盤。當(dāng)光源將光投射在碼盤上2021/6/2710時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤，通過亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫后，由光敏元件所接收。光敏元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號(hào)，前者為“1”，后者為“0”。當(dāng)碼盤旋至不同位置時(shí)，光敏元件輸出信號(hào)的組合反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移大小。2021/6/2711

編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進(jìn)制碼、十進(jìn)制碼、循環(huán)碼等。圖2所示的8位二進(jìn)制碼盤，員內(nèi)困碼盤一半透光，一半不透光．最外圈一共分成28＝256個(gè)黑白間隔。每一個(gè)角度方位對(duì)應(yīng)于不同的編碼。2021/6/2712

例如零位對(duì)應(yīng)于000000(全黑)；第23個(gè)方位對(duì)應(yīng)于0l0111。這樣在測(cè)量時(shí)，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置，就可以確定角位移，而與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過程無關(guān)。一個(gè)n位二進(jìn)制碼盤的最小分辨率，即能分辨的角度為α＝360o／2n。若n＝6，則α≈5.6o如要達(dá)到1″左右的分辨率，至少采用20位的碼盤，對(duì)于一個(gè)刻劃直徑為400mm的20位碼盆，其外因分劃間隔不到1.2μm。

采用二進(jìn)制編碼器時(shí)，任何微小的制作誤差都可能造成讀數(shù)的粗誤差。主要2021/6/2713是二進(jìn)制碼當(dāng)某一較高的數(shù)碼改變時(shí)，所有比它低的各位數(shù)碼需同時(shí)改變?nèi)绻捎诘絼澱`差等原因，某一較高位提前或延后改變，就會(huì)造成粗誤差。

為了清除粗誤差，可用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼。圖3所示是一個(gè)6位的循環(huán)碼碼盤，對(duì)于n位循環(huán)碼碼盤，與二進(jìn)制碼一樣，具有2n種不同編碼，最小分辨率α＝360o／2n。

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表1給出了四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的對(duì)照表。從表中看出，循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時(shí)，僅有一位編碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，只可能有一個(gè)碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個(gè)比特。所以只要適當(dāng)限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。由于這一原因使得循環(huán)碼碼盤獲得了廣泛的應(yīng)用。2021/6/2715

循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，這給譯碼造成一定困難。通常先將它轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼然后再譯碼。按表1所列，可以找到循環(huán)碼和二進(jìn)制碼之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：或：式中：R——表示循環(huán)碼；

C——表示二進(jìn)制碼2021/6/2716

表1四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼對(duì)照表十進(jìn)數(shù)二進(jìn)制循環(huán)碼十進(jìn)數(shù)二進(jìn)制循環(huán)碼0000000008100011001000100019100111012001000111010101111300110010111011111040100011012110010105010101111311011011601100101141110100170111010015111110002021/6/2717

根據(jù)上式用