编 码 器 基 本 原 理

编码器基本原理

一、概述将机械转动的模拟量(位移)转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器又称数字编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而广泛用于各种位移测量。编码器的种类很多。按其结构形式有直线式编码器和旋转式编码器。由于许多直线位移是通过转轴的运动产生的，因此旋转式编码器应用更为广泛。2021/6/271

编码器按其检测原理分为电磁式、接触式、光电式等。光电式编码器具有非接触和体积小的特点，分辨率高，它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前我国已有23位光电编码器，为科学研究、军事、航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段。旋转式编码器又分为增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行累计计数，一般还需要基准数据即零位基准才能完成角位移测量。2021/6/272

绝对式编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出。1增量型编码器（incrementalencoder）增量型编码器每转一周可产生一系列的脉冲，脉冲的数量可表示角位移的测量。编码器内有一圆盘——编码盘。通常为一光学玻璃，码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光的扇形区域，用来产生记数脉冲的增量码道，扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇形区越多2021/6/273分辨率越高。例如：一个每转5000的增量形编码器，其码盘上共有5000个透光和不透光的扇形区域。这个码盘被安装到编码器的旋转轴上增量式编码器的码盘刻线间距均等，对应每一个分辨率区间，可输出一个增量脉冲。2021/6/274

光源发出平行且定向的光束照到码盘上，光敏元件接受被调制的光线，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。用一些数字电子元器件将信号放大，并整形出正交波的脉冲系列，由电缆传出。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

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可辨向光栅盘结构和辨向原理如图2，有A相、B相和Z相三条环带。A相和B相在码盘上互相错半个区域，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相的上升沿触发检测A相的状态，由此判断旋转方向。当码盘以某个方向匀速旋转时(如CW),A相超前B相首先导通;当码盘反方向(CCW)匀速旋转时，A相滞后于B相。2021/6/276

采用简单的逻辑电路判断编码器输出的A相和B相输出脉冲时序便可确定码盘的旋转方向。并且对A相或者B相的输出脉冲进行计数统计，得出旋转的角位移或者角速度。如果码盘做变速运动，可把它看做多个运动周期的组合，其辨向方法和速度计算方法相同。Z相脉冲用来设置码盘旋转每周的清零，作为轴的初始位置计算当前的角度(360。范围内)。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。2021/6/2772021/6/2782、绝对型编码器（旋转型）

绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16

线……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。

绝对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，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

2021/6/2793、光电编码器

光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘(码盘)、狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成，基本结构如图1所示。码盘由光学玻璃制成，其上到有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。码盆构造如图2所示，它是一个8位二进制码盘。当光源将光投射在码盘上2021/6/2710时，转动码盘，通过亮区的光线经狭缝后，由光敏元件所接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。2021/6/2711

编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。图2所示的8位二进制码盘，员内困码盘一半透光，一半不透光．最外圈一共分成28＝256个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。2021/6/2712

例如零位对应于000000(全黑)；第23个方位对应于0l0111。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为α＝360º／2n。若n＝6，则α≈5.6º如要达到1″左右的分辨率，至少采用20位的码盘，对于一个刻划直径为400mm的20位码盆，其外因分划间隔不到1.2μm。

采用二进制编码器时，任何微小的制作误差都可能造成读数的粗误差。主要2021/6/2713是二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码需同时改变如果由于到划误差等原因，某一较高位提前或延后改变，就会造成粗误差。

为了清除粗误差，可用循环码代替二进制码。图3所示是一个6位的循环码码盘，对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码，最小分辨率α＝360º／2n。

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表1给出了四位二进制码与循环码的对照表。从表中看出，循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位编码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，不会产生粗误差。由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛的应用。2021/6/2715

循环码是一种无权码，这给译码造成一定困难。通常先将它转换成二进制码然后再译码。按表1所列，可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为：或：式中：R——表示循环码；

C——表示二进制码2021/6/2716

表1四位二进制码与循环码对照表十进数二进制循环码十进数二进制循环码0000000008100011001000100019100111012001000111010101111300110010111011111040100011012110010105010101111311011011601100101141110100170111010015111110002021/6/2717

根据上式用