编码器介绍

1．按照检测原理分类

根据检测原理，编码器可以分为光学式、磁式、感应式和电容式等。

（1）光学式编码器（光电编码器）

光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成，是一种通过光/电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，分为直线编码器与旋转编码器。在设备运行过程中，光栅盘与电机同轴或按一定转速比旋转，经过二极管等电子元器件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，并通过计数器等脉冲接收电路来获取电机当前的位置与转速。

光电编码器是目前市场上应用最为广泛的编码器，其原理示意图如下图所示。

 光电编码器原理示意图

 （2）磁式编码器

如下图所示，磁式编码器拥有一个由金属材料制作的齿轮，同时有永磁材料与敏感元件组成的磁场接收器。当齿轮旋转时，金属齿轮会影响接收器发出的磁通，引起磁通强弱变化，变化的磁通经过敏感元件后被转换成为相应的数字或脉冲信号。

磁式编码器原理示意图

除了旋转磁式编码器之外，还有直线磁性尺，其原理相似。

（3）感应式编码器

感应式旋转编码器也是通过测量线圈间的感应现象来识别位置变化的。角度值的获取是juedui式的。通过采用每圈13或32个信号周期的码盘，可以获得比旋转变压器高得多的位置分辨率。和光电旋转编码器相似，感应式旋转编码器也可以在4096转之内唯一确定转动圈数。感应式编码器线圈之间的距离对精度有很大的影响。

（4）电容式编码器

通常是靠耦合电极来实现，目前技术尚不成熟，应用较少。

2．按照刻度方法与输出形式分类

按照刻度方法与输出形式，编码器可以分为增量式与juedui值编码器及旋转变压器。

（1）增量式编码器

增量式编码器是直接利用光/电转换原理输出3组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90°，实际应用中可以用来判断电机的旋转方向，当码盘正转时A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时A道脉冲比B道滞后π/2；Z相则每转输出一个脉冲，用于基准点定位，它作为码盘的基准位置，给计数系统提供一个初始的零位信号，如下图所示。

增量式编码器信号

增量式编码器的信号输出有正弦波（电流或电压）、方波（TTL、HTL）、集电极开路（PNP、NPN）、推拉式多种形式。其中常见的TTL晶体管逻辑（5V±0.25V）通常为长线差分驱动（对称A、A-，B、B-Z、Z-）；HTL也称高压晶体管（10～24V）逻辑，多为推拉式、推挽式输出。下图所示为3种不同输出形式编码器的电路。

3种不同输出形式编码器的电路

编码器的信号接收设备接口应与编码器对应，接收模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有高有低。西门子变频器为各类匹配的编码器提供了相应的接口，提供了以下几种连接方式。

单相连接：用于单方向计数、单方向测速，不适用变频器反转。

A、B两相连接：用于正反向计数、判断正反向和测速。

A、B、Z三相连接：用于带参考位修正的位置测量。

A、A-,B、B-,Z、Z-连接：由于是带有对称负信号的连接，电流对于电缆的电磁场为0，衰减最小，抗干扰zuijia，可传输较远的距离。对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150m；对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300m。

增量式编码器的分辨率取决于编码器每旋转360°所提供的通或暗刻线数，即编码器的线数，一般为5～10000线。

增量式编码器的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。它的缺点是无法输出轴转动的juedui位置信息，在伺服控制应用中，系统重新上电后必须重新确定系统零点。

（2）juedui值编码器

与增量式编码器不同，juedui值编码器输出的不是脉冲信号，而是二进制的数字信号。在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧每一码道对应有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数（格雷码）。这种编码器的特点是不用计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的juedui编码器产品。为了克服多通道信号传输所带来的不利因素，人们将多通道同步传输方式改为通信方式，如EnDat、SSI以及带Profibus-DP接口的编码器。

juedui值编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要，什么时候就去读取它的位置，同时克服了累积误差。在伺服控制应用中，系统重新上电后位置信息不会丢失，不需要回参考点的命令。

juedui值编码器又可分为单圈juedui值编码器和多圈juedui值编码器。

旋转单圈juedui值编码器包括二极旋转变压器以及光正/余弦编码器。在转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，这样的编码只能用于旋转范围在360°以内的测量，称为单圈juedui值编码器。当转动超过360°时，编码又回到原点，这样就不符合juedui编码唯一的原则，因此如果用单圈编码器来实现多圈的juedui定位，系统就必须能处理信号溢出。此时可以用多圈juedui值编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮、多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的juedui值编码器就称为多圈juedui值编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一，无需记忆。多圈juedui值编码器的另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富余较多，这样在安装时不必费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，从而大大简化了安装和调试难度。

（3）混合式juedui值编码器

混合式juedui值编码器输出两组信息：一组信息通过通信的方式传递，带有juedui信息功能；另一组则与增量式编码器的输出信息完全相同，如下文提到的带数据通道的正/余弦编码器。事实上，伺服控制中应用的编码器多为混合式编码器。

（4）旋转变压器

旋转变压器的工作原理如下图所示。在旋转变压器的定子里面有3个线圈，即正弦和余弦两组线圈（相差90°）和高频5～10kHz的旋转变压器线圈。转子感应高频信号，同时随电机旋转并在定子上感应出正弦和余弦信号。

根据正弦和余弦波形可以算出α角度，从而确定转子的位置。

旋转变压器工作原理示意图

对于二极的旋转变压器，转子即电机转动1圈，从定子上感应出1个周期的正/余弦信号，如下图所示。旋转变压器的反馈精度随极数的增加而提高，但其控制精度与正/余弦编码器或者juedui值编码器相比较低，通常用于对精度要求不是很高的应用场合。

旋转变压器信号

旋转变压器有二极、四极以及多极之分。如果是用于同步电机，建议使用与电机同极数的编码器。也有些用户现场，采用单极对数旋转变压器来作为多极同步电机的反馈单元，采用细分的方式来提高编码器的精度，这种方式的控制精度较低，由于细分的误差可能会导致系统高频噪声，引起系统不稳定以及电机的啸叫。

例如，使用西门子的S120驱动第三方电机时发现，电机在行走一段时间后发出啸叫声，并且最终故障停机。通过软件Starter在线诊断，发现电机实际输出电流与扭矩在运行过程中出现了自激振荡，如下图所示。然后通过伯德图测量功能发现速度闭环特性如下图所示，系统在高频处存在噪声。以上现象均由编码器反馈值不稳定引起。要解决系统的不稳定现象，只有牺牲系统的速度精度，即降低系统的动态特性，对反馈信号进行滤波。

由编码器反馈引起的自激振荡