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（又叫分度碼盤）和光電檢測裝置（又叫接收器）組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光柵盤與電機同軸，電機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電機同速旋轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管垂直照射光柵盤，把光柵盤圖像投射到由光敏元件構成的光電檢測裝置（接收器）上，光柵盤轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的光變化經(jīng)轉(zhuǎn)換后以相應的脈沖信號的變化輸出。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料等。玻璃碼盤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)定性也比玻璃的差一個數(shù)量級。塑料碼盤成本低廉，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。編碼器以信號

2、原理來分，有增量式編碼器（SPC）和絕對式編碼器（APC），顧名思義，絕對式編碼器可以記錄編碼器在一個絕對坐標系上的位置，而增量式編碼器可以輸出編碼器從預定義的起始位置發(fā)生的增量變化。增量式編碼器需要使用額外的電子設備（通常是PLC、計數(shù)器或變頻器）以進行脈沖計數(shù)，并將脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為速度或運動數(shù)據(jù)，而絕對式編碼器可產(chǎn)生能夠識別絕對位置的數(shù)字信號。綜上所述，增量式編碼器通常更適用于低性能的簡單應用，而絕對式編碼器則是更為復雜的關鍵應用的最佳選擇-這些應用具有更高的速度和位置控制要求。輸出類型取決于具體應用。一：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過兩個光敏接收管來轉(zhuǎn)化角度碼盤的時序和相位關

3、系，得到角度碼盤角度位移量的增加（正方向）或減少（負方向）。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理如下圖所示。圖中A、B兩點的間距為S2，分別對應兩個光敏接收管，角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。當角度碼盤勻速轉(zhuǎn)動時，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，當角度碼盤變速轉(zhuǎn)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。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，與下一個到來的A、B輸出值做比較，就可以得出角度碼盤轉(zhuǎn)動的方向，如果光柵格S0等于S1時，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運動位移角度為S0弧度夾角的1/2，再除以所用的時間，就得到此次角度碼盤運動的角速度。S0等于S1時，且S2等于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不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1個運動周期才可以得到運動方向位和位移角度了。我們常用的鼠標的滾輪也是這個原理。實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（有時也叫索引脈沖），為每轉(zhuǎn)一周輸出一個脈沖，Z相脈沖代表零位參考位，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位，專門

5、用于基準點定位，如下圖所示。增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，有相應的脈沖輸出，其計數(shù)起點可以任意設定，可實現(xiàn)多圈無限累加和測量。編碼器軸轉(zhuǎn)動一圈會輸出固定的脈沖數(shù)，脈沖數(shù)由編碼器碼盤上面的光柵的線數(shù)所決定，編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少通或暗的刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或稱作多少線，一般在每轉(zhuǎn)510000線，當需要提高分辯率時，可利用 90 度相位差的 A、B 兩路信號進行倍頻或者更換高分辯率編碼器。增量型編碼器精度取決于機械和電氣的因素，這些因素有：光柵分度誤差、光盤偏心、軸承偏心、電子讀數(shù)裝置引入的誤差以及光學部分的不精確性，誤差存在于任何編碼器中。編碼器的信號輸出有正弦波（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)動方式，含有對稱的A+/A-、B+/B-、Z+/Z-三相信號，由于帶有對稱負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為0，信號穩(wěn)定衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離，例如： 對于TTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達150米。對于HTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達300米。用正弦或余弦信號分的增量編碼器輸出信號如下圖所示：用TTL 與 HTL 信號的增量編碼器輸出信號如下圖所示：羅克韋爾的MPL系列伺服電機編碼器輸出采用的是德國Sick STEGMANN的Hiperface協(xié)議，例如：AB MPL-B640F-MJ

7、24AA伺服電機的編碼器是Sick的SRM50-HFA0-K01增量式編碼器，信號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-）編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、PLC、計算機，PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關頻率有低有高。單相聯(lián)接，用于單方向計數(shù)，單方向測速。A、B兩相聯(lián)接，用于計數(shù)和測速、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量。增量式編碼器的優(yōu)點是構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是大角度有累積誤差，并且無法輸出軸的絕對位置信息

8、，比如斷電后發(fā)生了人為轉(zhuǎn)動，再上電后就無法得到它的絕對位置信息，因為它不會跟蹤任何由編碼器輸出的增量變化，所以開機后要進行找零或參考位，必須進行返回初始位置操作。二：絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理絕對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進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。其分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)（n-1）。與增量式編碼器不同，絕對式編碼器不會輸出脈沖，而是輸出數(shù)字信號以指示編碼器位置，并以此位置作為絕對坐標系中的靜態(tài)參

9、照點，因為由機械位置決定的每個位置是唯一的，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，電源切除后位置信息也不會丟失，什么時候需要知道位置就什么時候去讀取它的位置，重新啟動后系統(tǒng)可立即恢復運動，無需返回初始位置。消除了累計誤差。單圈絕對值編碼器：以轉(zhuǎn)動中測量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當轉(zhuǎn)動超過360度時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對值編碼器。 如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360度范圍，就要用到多圈絕對值編碼器多圈絕對值編碼器：運用鐘表齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在

10、單圈編碼的基礎上再增加圈數(shù)的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復，而無需記憶。多圈編碼器另一個優(yōu)點是由于測量范圍大，實際使用往往富裕較多， 這樣在安裝時不用費勁找零點， 將某一中間位置作為起始點就可以了，從而大大簡化了安裝調(diào)試的難度。三：應用中問題分析及改進措施（一）應用中問題分析1發(fā)射裝置或接受裝置因機械震動等原因而引起的移位或偏移，導致接收裝置不能可靠的接收到光信號，而不能產(chǎn)生電信號。例如；光電編碼器直接用螺栓固定在電機外殼上，光電編碼器的軸通過較硬的彈簧片和電機轉(zhuǎn)軸相連接，因電機所帶負載是沖擊性負載，會引

11、起電機轉(zhuǎn)軸和外殼的振動。這樣的振動速度會損壞光電編碼器的內(nèi)部功能，造成誤發(fā)脈沖，從而導致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或誤動作。2光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，受生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境因素影響。如安裝部位溫度高、濕度大，導致光電檢測裝置內(nèi)部的電子元件特性改變或損壞。例如光電檢測裝置安裝的位置過于靠近高溫物體而導致光電檢測裝置誤發(fā)出信號或損壞，而引發(fā)生產(chǎn)或人身事故。3生產(chǎn)現(xiàn)場的各種電磁干擾源對光電檢測裝置產(chǎn)生的干擾，導致光電檢測裝置輸出波形發(fā)生畸變失真，使系統(tǒng)誤動或引發(fā)生產(chǎn)事故。例如；光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)設備本體，其信號經(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，但由于電纜的導線電阻及線間電容的影響再加上和其他電纜同在一起敷設，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)的信號與實際值的偏差，而導致系統(tǒng)精度下降。（二）改進措施1改變光電編碼器的安裝方式。在電機的基礎上制作一固定支架來獨立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動機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，以減輕電動機