旋转编码器工作原理.docx

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旋转编码器工作原理

旋转编码器工作原理

编码器如以信号原理来分，有增量型编码器，绝对型编码器。

一、增量型编码器（旋转型）工作原理：

    由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,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。

    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。

    编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

    分辨率：

编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。

    信号输出：

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TTL为长线差分驱动（对称A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。

    信号连接：

编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。

单相联接，用于单方向计数，单方向测速。

A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。

A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。

A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，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150米。

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300米。

增量式编码器的问题：

    增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用绝对型编码器可以解决。

    增量型编码器的一般应用:

测速，测转动方向，测移动角度、距离（相对）。

二、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。

    从单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器

    旋转单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。

    如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对值编码器

    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，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。

    多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。

■■旋转编码器的工作原理■■

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 （晴天） 

2008-7-2815:

32:

00

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■■旋转编码器的工作原理■■

1、编码器：

产品采用瑞士技术，选用优质器件，结构性能可与欧美产品替代使用。

分辨率20P/R-6000P/R，外形尺寸可按用户要求定制。

我公司产品部分能够替代欧姆龙编码器、光洋编码器、P+F编码器、奥拓尼克斯编码器、内密控编码器、莱因编码器、海德汉编码器等众多国外品牌。

光电编码器的工作原理

光电编码器，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。

这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90。

的两路脉冲信号。

编码器的分类

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式，根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

1.1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三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90。

，从而可方便的判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。

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。

1.2绝对式编码器 绝对式编码器是直接输出数字的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码盘，每条道上有透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区树木是双倍关系，码盘上的码道数是它的二进制数码的位数，在吗盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件，当吗盘处于不同位置时，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。

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书一个固定的与位置相对应的数字码。

显然，吗道必须N条吗道。

目前国内已有16位的绝对编码器产品。

1.3混合式绝对编码器混合式绝对编码器，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。

光电编码器的应用

1、角度测量

 汽车驾驶模拟器，对方向盘旋转角度的测量选用光电编码器作为传感器。

重力测量仪，采用光电编码器，把他的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连，扭转角度仪，利用编码器测量扭转角度变化，如扭转实验机、渔竿扭转钓性测试等。

摆锤冲击实验机，利用编码器计算冲击是摆角变化。

2、长度测量

计米器，利用滚轮周长来测量物体的长度和距离。

拉线位移传感器，利用收卷轮周长计量物体长度距离。

联轴直测，与驱动直线位移的动力装置的主轴联轴，通过输出脉冲数计量。

介质检测，在直齿条、转动链条的链轮、同步带轮等来传递直线位移信息。

3、速度测量

线速度，通过跟仪表连接，测量生产线的线速度

角速度，通过编码器测量电机、转轴等的速度测量

4、位置测量

机床方面，记忆机床各个坐标点的坐标位置，如钻床等

自动化控制方面，控制在牧歌位置进行指定动作。

如电梯、提升机等

5、同步控制

通过角速度或线速度，对传动环节进行同步控制，以达到张力控制

光电旋转编码器在工业控制中的应用

1．概述

在工业控制领域，编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种位移测量。

目前，应用最广泛的是利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。

光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字检测装置。

作为一次光电传感检测元件的光电编码器，具有精度高、响应快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等显著的优点。

按结构形式可分为直线式编码器和旋转式编码器两种类型。

图

图l所示为旋转编码器的基本原理：

主轴与两块圆光栅盘相连，光射入并通过该光栅时，分别用两个光栅面感光。

由于两个感光面具有90度的相位差。

因此将该输出输入数字加减计算器，就能以分度值来表示角度。

旋转编码器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成。

从光电编码器的输出信号种类来划分，可分为增量式和绝对值式两大类，其中绝对值式又分为单圈和多圈两种。

2．发展历程

2．1从接近开关与光电开关到旋转编码器

工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。

可是，随着工业控制的不断发展，对精确定位的要求越来越高，选用旋转编码器的应用优点就更加突出了。

信息化：

除了定位，控制室还知道被控器件的具体位置。

柔性化：

定位可以在控制室柔性调整。

现场安装的方便、安全和长寿：

拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个微米到几百米的距离，n个工位。

只要解决旋转编码器的安全安装问题，就可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦以及容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。

由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。

多功能化：

除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器、步进电机等的应用尤为重要。

经济化：

对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。

2．2从增量式编码器到绝对式编码器

旋转增量式编码器转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。

这样，当停电后，编码器不能有任何的移动；当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。

解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。

在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。

为此，在工业控制中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。

比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。

这样的方法对有些工业控制项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。

绝对编码器光码盘上有许多道刻线，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），这就称为位绝对编码器。

这样的编码器是由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的唯一性，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。

由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工业控制定位中。

2．3从单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器

旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360°时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360°以内的测量，称为单圈绝对式编码器。

如果要测量旋转超过360°范围，就要用到多圈绝对式编码器。

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，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器。

它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。

另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多这样在安装时不需费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，大大简化了安装调试难度。

多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工业控制定位中。

3．信号输出

编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出等输出形式。

3．1并行输出

对于绝对编码器，信号并行输出是时间上数据同时发出：

空间上，每个位数的数据各占用一根线缆。

对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I／O接口。

这种方式输出即时，连接简单。

但是，对于位数较多的绝对编码器，有许多芯电缆，由此带来工程难度和诸多不便、降低了可靠性。

因此，在绝对编码器多位数输出一般不采用并行输出型，而是选用串行输出或总线型输出。

3．2串行输出

串行输出是时间上数据按照约定，有先后输出；空间上，所有位数的数据都在一组电缆上（先后）发出。

这种约定称为“通讯协议”，其连接的物理形式有RS232、RS422（TTL）、RS485等。

串行输出连接线少，传输距离远，可靠性就大大提高了，但传输速度比并行输出慢。

3．3现场总线型输出

现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号线连接在一起，通过设定地址，用通讯方式传输信号。

信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号。

常用总线型编码器有PROFIBUS-DP、CAN、DeviceNet、Interbus等。

总线型编码器可以节省连接线缆、接收设备接口，传输距离远，在多个编码器集中控制的情况下还可以大大节省成本。

3．4变送一体型输出

信号已经在编码器内换算后直接变送输出，其有模拟量4-20mA输出、RS485数字输出、USB输出、14位并行输出。

4．工业控制中的应用

光电旋转编码器结构简单，广泛应用于高精度角度、位移检测系统中，例如数控机床等。

4．1脉冲盘式角度—数字编码器

在一个圆盘的边缘上开有相等角距的缝隙（分成透明和不透明的部分），在开缝圆盘两边分别安装光源及光敏元件，当圆盘随工作轴一起转动时，每转过一个续隙就发生一次光线的明暗变化，经过光敏元件就产生一次电信号的变化，经整形、放大，就可以得到一定幅值和功率的电脉冲信号，脉冲数等于转过的缝隙数，将上述信号送到计数器，则计数码就反映了圆盘的转角。

为了判断旋转方向，可以采用两套光电装置，它们在空间的相对位置有一定的关系，保证它们产生的信号在相位上相差1／4周期。

正转时光敏元件2比光敏元件1先感光，此时与门DAl有输出，将加减控制触发器置“1”，使可逆计数器的加法母线为高电位．同时DAl的输出脉冲又经或门达到可逆计数器的计数输入端，计数器进行加法计数。

反转时则光敏元件1比元件2先感光，计数器进行减法计数，这样就可以识别旋转方向，自动进行加减法计数计数。

由于它每次反映的都是相对于上次角度的增量，所以这种测量属于增量法。

图2  辨向环节逻辑电路框图

4．2光电式角度—数字编码器

码盘式角度-数字编码器是按角度直接进行编码的传感器。

按码盘结构可分为接触式、光电式和电磁式。

无论哪种型式．码盘的结构原理是相同的。

4.2.1、码盘的结构和工作原理

图4是一个接触式四位二进制码盘。

涂黑部分是导电区。

所有导电部分连在一起接高电位。

空白部分为绝缘区。

在每圈码道上都有一个电刷，电刷经电阻接地。

当码盘与轴一起旋转时。

申刷上将出现相应的电位，对应—定的数码。

若采用n位码盘，则能分辨的角度α为360°/2n。

位数n越大，能分辨的角度越小，测量也越精确。

二进制码盘很简单，但在实际应用时对码盘的制作和安装要求十分严格，否则极易出错。

采用工艺上或电路方法可消除误差，但十分复杂，因此很少采用。

应用广泛的是采用循环码取代二进制码。

循环码的特点是相邻两个数码间只有一位是变化的，因此即使制作和安装不到位，产生的误差最多也只是一位。

图5是一个四位循环码盘。

图4  二进制码盘示意图       图5  四位循环码盘

4.2.2、光电式角度—数字编码器

光电式角度—数字编码器包括光源、光学系统、码盘、读出系统和电路系统。

编码器的精度主要由码盘的精度所决定，目前的分辨牢可以达到0.15”，径向线宽度为0.067rad·s。

通常码盘是用玻璃制成的，码盘上有代表数码的透明和不透明的图形，这些图形是采用照相制版及真空镀膜工艺制成的。

码盘的透明和不透明图形必须清晰，边缘必须光滑，以减少光电元件在电乎转换时产生的过渡噪声。

为了提高编码器的分辨李，在光电式角度数字编码器中采用了二进制码盘、脉冲增量式码盘再加细分电路构成的高位数绝对式角度数字编码器。

例如，有219分之一分辨率的编码器，它的码盘内层有14条码道，通过光学系统产生14位二进制数字输出码，外层码道有两路增量脉冲光学系统，产生一个正弦杨出和余弦输出，使编码器的分辨率从214分之一提高到219分之一，相当于0.2rad·s。

5．结束语

光电旋转编码器以其高精度、高分辨力、高频响以及体积小、重量轻、结构简单、可实现数字量输出等综合技术优势在现代精密测量与控制设备中得到了广泛应用，是工业控制中比较理想的位移、角度传感器。

随着光电科学的发展，采用新原理、应用新技术的各类新型光电轴角编码器将会不断出现，并向着小型化、智能化和集成化的方向发展，以满足各个领域多种应用场合的需要。

HEIDENHAIN海德汉编码器工作原理^*（--）*^海德汉在中国

工作原理：

　由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,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。

　　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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德国siko编码器

编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

　　分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。

<ｓcripttype="text/javascript">document.write（''）海德汉中国有限公司%海德汉编码器绝对型旋转编码器的机械安装使用：

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　　绝对型旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装置安装等多种形式。

　　高速端安装：

安装于动力马达转轴端（或齿轮连接），此方法优点是分辨率高，由于多圈编码器有４０９６圈，马达转动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向高精度控制定位，例如轧钢的辊缝控制。

另外编码器直接安装于高速端，马达抖动须较小，不然易损坏编码器。

　　低速端安装：

安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端，此方法已无齿轮来回程间隙，测量较直接，精度较高，此方法一般测量长距离定位，例如各种提升设备，送料小车定位等。

@HEIDENHAIN海德汉编码器工作原理^*（--）*^海德汉在中国

海德汉研制生产光栅尺、角度编码器、旋转编码器、数显装置和数控系统。

海德汉公司的产品被广泛应用于机床、自动化机器，尤其是半导体和电子制造业等领域。

　　为了更进一步贴近客户以适应中国地区日益扩大的需求，海德汉德国总部以3000万美元的投资总额在北京天竺空港工业区建立了占地14650平方米的新厂区，从而迈出了在中国应用研发和生产制造的步伐。

海德汉中国全部移植了德国总部的生产技术、管理经验和质量标准，这确保了海德汉德国的品质要求和服务理念在中国的贯彻和实施。

　　海德汉的全体中国员工将秉承海德汉的宗旨：

为客户提供最优质的服务、品质最优良的产品并不断完善自己。

我们坚信我们必定能成为广大客户在发展各自事业过程中最紧密的伙伴。

<ｓcripttype="text/javascript">document.write（''）海德汉编码器延承海德汉一<ｓcripttype="text/javascript">document.write（''）贯作风是海德汉在中国的公司的宗旨

中国的工业正以飞快的速度向前发展，中国的经济在世界经济舞台上扮演的角色越来越重要，在全球产业链中中国制造业的地位不断上升。

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海德汉中国全部移植了德国总部的生产技术、管理经验和质量标准，这确保了海德汉德国的品质要求和服务理念在中国的贯彻和实施。

海德汉的全体中国员工将秉承海德汉的宗旨：

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海德汉中国有限公司%海德汉编码器工作原理：

　　　辅助机械安装：

　　常用的有齿轮齿条、链条皮带、摩擦转轮、收绳机械等。

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heidenhain的封闭式光栅尺可以防止灰尘，切屑和飞溅液体，是机床测量装置的最佳选择。

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扫描单元载体在尺体内的移动采用低摩擦导轨。

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