编码器的原理与应用

1、编码器的原理与应用工程部 杜晋锋 2l一、编码器的介绍一、编码器的介绍l二、编码器的分类二、编码器的分类l三、编码器的常用术语三、编码器的常用术语l四、常用编码器的工作原理四、常用编码器的工作原理l五、编码器测速应用及结语五、编码器测速应用及结语3一、编码器的介绍一、编码器的介绍 编码器(Encoder)为传感器(Sensor)类的一种，主要用来检测机械运动的速度、位置、角度、距离或计数，是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。近十几年来，发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光

2、电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。其中光电编码器可以定义为：一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成。4二、编码器的分类二、编码器的分类编码器模拟量编码器数字量编码器旋转变压器Sin/Cos 编码器增量式编码器绝对式编码器混合式编码器5 以上是编码器的其中一种分类方法。 另外，按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。根据检测原理，编码器可分

3、为光学式、磁式、感应式和电容式。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用。 在本培训交流中主要针对增量式和绝对式编码器。6三、编码器的常用术语三、编码器的常用术语 1、输出脉冲数/转 旋转编码器转一圈所输出的脉冲数，对于光学式旋转编码器，通常与旋转编码器内部光栅的槽数相同（也可在电路上使输出脉冲数增加到槽数的2倍4倍）。 2、分辨率 分辨率表示旋转编码器的主轴旋转一周，读出位置数据的最大等分数。绝对值型不以脉冲形式输出，而以代码形式表示当前主轴位置（角度）。与增量型不同，相当于增量型的“输出脉冲/转”。 3、光

4、栅 光学式旋转编码器，其光栅有金属和玻璃两种。如是金属制的，开有通光孔槽；如是玻璃制的，是在玻璃表面涂了一层遮光膜，在此上面设有透明线条（槽）。槽数少的场合，可在金属圆盘上用冲床加工或腐蚀法开槽。在耐冲击型编码器上使用了金属的光栅。玻璃制的与金属制的光栅相比不耐冲击，因此在使用上请注意，不要将冲击直接施加于编码器上。7 4、最大响应频率 是在1秒内能响应的最大脉冲数（例：最大响应频率为2KHz，即1秒内可响应2000个脉冲），公式如下：最大响应转速（rpm）/60（脉冲数/转）=输出频率Hz 5、最大响应转速 是可响应的最高转速，在此转速下发生的脉冲可响应，公式如下：最大响应频率（Hz）/（脉

5、冲数/转）60=轴的转速rpm 6、输出电压 指输出脉冲的电压。输出电压会因输出电流的变化而有所变化。 7、格雷码 格雷码是高级数据，因为是单元距离和循环码，所以很安全。每步只有一位变化。数据处理时，格雷码须转化成二进制码。（详见后面部分） 8、转速 该速度指示编码器的机械载荷限制。如果超出该限制，将对轴承使用寿命产生负面影响，另外信号也可能中断。 8（二）、数字量编码器 1、增量式编码器 （1）基本构造及特点 增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化

6、或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。四、常用编码器的工作原理四、常用编码器的工作原理9 增量式光电编码器主要由光源、光栅板(码盘)、固定光栅（检测光栅）、光敏管(光电检测器件)和转换电路组成，如图1-1 所示。光栅板上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表

7、一个增量周期；检测光栅上刻有A、B 两组与光栅板相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检图1-1 增量式光电编码器的组成10图1-2增量式光电编码器的输出信号波形测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图1-2 所示。 （2）作用原理：A、B两点对应两

8、个光敏接受管，A、B两点间距为 S2 ,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。当角度码盘以某个速度匀速转动时，那么可知输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值相同，同理角度码盘以其他的速度匀速图1-3增量式内部工作原理11转动时，输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。如果角度码盘做变速运动，把它看成为多个运动周期（在下面定义）的组合，那么每个运动周期中输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。通过输出波形图可知每个运动周期的时序为图1-4所示。 我们把当前的A、B输出值保存起来，与下一个A、B输出值做比较，就

9、可以轻易的得出角度码盘的运动方向，如果光栅格S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消耗的时间，就得到此次角度码盘运动位移角速度。 图1-4时序图0 11 00 00 01 0 0 11 11 1A BA B逆时针运动顺时针运动12 （3）基本技术规格 在增量式光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式。 分辨率 光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。

10、码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在5006000PPR 的增量式光电编码器，最高可以达到几万PPR。交流伺服电机控制系统中通常选用分辨率为2500PPR 的编码器。此外对光电转换信号进行逻辑处理，可以得到2 倍频或4 倍频的脉冲信号，从而进一步提高分辨率。 精度 增量式光电编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲13位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况

11、的制造精度因素有关，也与安装技术有关。 输出信号的稳定性 编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。 响应频率 编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。当编码器高速旋转时，如果其分辨率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。如果光电检测器件和电子线路元器件的工作速度与之不能相适应，就有可能使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。这样输出信号就

12、不能准确反映轴的位置信息。14所以，每一种编码器在其分辨率一定的情况下，它的最高转速也是一定的，即它的响应频率是受限制的。编码器的最大响应频率、分辨率和最高转速之间的关系如公式（1-1）所示。其中， 为最大响应频率， 为最高转速、N 为分辨率。 另外，在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。所以，在编码器内还必须将此信号放大、整形。经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易进行数字处理，所以这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采用正弦波输出信号时基本消除了定位停止时的振荡现象，并且容易

13、通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。这里编码器的输出信号电路不再详述，感兴趣的可在其他时间交流学习。 maxmax60RfN1-1maxfmaxR15 2、绝对式编码器 （1）基本构造及特点 用增量式光电编码器有可能由于外界的干扰产生计数错误，并且在停电或故障停车后无法找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对式光电编码器可以避免上述缺点。绝对式光电编码器的基本原理及组成部件与增量式光电编码器基本相同，也是由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。与增量式光电编码器不同的是，绝对式光电编码器用不同的数码来分别指示每个不同的增量位置，它是一种直接输出数字量的传感器。在它的圆形码

14、盘上沿径向有若干同心码道，每条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，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光图2-1绝对式光电编码器16照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，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。绝对式光电编码器原理如图2-1 所示。 绝对式光电编码器是利用自然二进制、循环二进制（格雷码）、二-十进制等方式进行光电转

15、换的。绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对光电编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。它的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失；编码器的精度取决于位数；最高运转速度比增量式光电编码器高。 （2）码制与码盘 绝对式光电编码器的码盘按照其所用的码制可以分为：二进制码、循环码（格雷码）、十进制码、六十进制码（度、分、秒进制）码盘等。四位二元码盘（二进制、格雷码）如图2-2所示。图中黑、白色分别表示透光、不透光区域。17图a图b图2-2光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上

16、二进制编码。图a所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码。黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360范围内可编数码数为 =16 个。4218 工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。但由于制造和安装精度的影响，当码盘回转在两码段交替过程中，会产生读数误差。例如，当码

17、盘顺时针方向旋转，由位置“0111”变为“1000”时，这四位数要同时都变化，可能将数码误读成16 种代码中的任意一种，如读成1111、1011、1101、0001 等，产生了无法估计的很大的数值误差，这种误差称非单值性误差。 为了消除非单值性误差，一般采用循环码盘，如图2-2（图a）。 循环码习惯上又称格雷码，它也是一种二进制编码，只有“0”和“1”两个数。图b所示为四位二进制循环码。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。所以，它是消除非单值性误差

18、的一种有效方法。表2-1为几种自然二进制码与格雷码的对照表：19格雷码自然二进制数十进制数格雷码自然二进制数十进制数100011111501000111710011110140101011061011110113011101015101011001201100100411101011110010001131111101010001100102110110019000100011110010008000000000表2-1 几种自然二进制码与格雷码的对照表 二进制码转换成制格雷码，其法则是保留二进制码的最高位作为格雷码的最高位，而次高位格雷码为二进制码的高位与次高位相异或，而格雷码其余各位与次高

19、位的求法相类似。203、混合式编码器 混合式光电编码器，就是在增量式光电编码器的基础上，增加了一组用于检测永磁伺服电机磁极位置的码道。它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能，另一组则完全同增量式编码器的输出信息。混合式光电编码器输出的绝对值信息在一定的精度上与磁极的位置具有对应关系。通常它给出相位相差120 度的三相信号，用于控制永磁伺服电机定子三相电流的相位。U（/U）、V（/V）和W（/W）三相脉冲信号彼此相差120 度，每转的脉冲个数与电机的极对数相一致。根据U、V、W 三相脉冲的高低电平关系可以判断电机磁极的当前位置。其过程是：电机启动前，通过U、V、W 三相脉冲的

20、状态估算出电机磁极位置，即当前的角度，一旦电机旋转起来，光电编码器的增量式部分可以精确地检测出位置值。21（一）、模拟量编码器 1、旋转变压器 旋转变压器（resolver/transformer）是一种电磁式传 感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交 流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度， 由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边， 接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。 旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常

21、数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号；在解算装置中可作为函数的解算之用，故也称为解算器。22 旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两对磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。 2、sin/cos编码器 正余弦编码器主要指能够输出代表角度位置的正余弦信号的编码器。同脉冲编码器相同，正余弦编码器通常有A、B两个信号输出通道，它的特点在于能够将每一个正余弦波形再进一步细分，细分是根据正余弦的电压值来进行计算的。这样能够增强编码器的分辨率，但需要后面的细分电路。再者，通常使用的编码器信号是sin/cos信号已经被放大整形后了。没有放大整形的sin/cos信号，可以再细分处理，得到更高的脉冲