編碼器

編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者稱為碼盤，後者稱為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種；按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈衝，用脈衝的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。

基本介紹

• 中文名：編碼器
• 外文名：encoder
• 適用範圍：計算機編碼
• 功能：轉換信號形式

主要分類

編碼器可按以下方式來分類。

1、按碼盤的刻孔方式不同分類

（1）增量型：就是每轉過單位的角度就發出一個脈衝信號(也有發正餘弦信號，然後對其進行細分，斬波出頻率更高的脈衝)，通常為A相、B相、Z相輸出，A相、B相為相互延遲1/4周期的脈衝輸出，根據延遲關係可以區別正反轉，而且通過取A相、B相的上升和下降沿可以進行2或4倍頻；Z相為單圈脈衝，即每圈發出一個脈衝。

編碼器（圖1）

（2）絕對值型：就是對應一圈，每個基準的角度發出一個唯一與該角度對應二進制的數值，通過外部記圈器件可以進行多個位置的記錄和測量。

2、按信號的輸出類型分為：電壓輸出、集電極開路輸出、推拉互補輸出和長線驅動輸出。

3、以編碼器機械安裝形式分類

（1）有軸型：有軸型又可分為夾緊法蘭型、同步法蘭型和伺服安裝型等。

（2）軸套型：軸套型又可分為半空型、全空型和大口徑型等。

4、以編碼器工作原理可分為：光電式、磁電式和觸點電刷式。

常見故障

1、編碼器本身故障：是指編碼器本身元器件出現故障，導致其不能產生和輸出正確的波形。這種情況下需更換編碼器或維修其內部器件。

編碼器（圖2）

2、編碼器連線電纜故障：這種故障出現的幾率 最高，維修中經常遇到，應是優先考慮的因素。通常為編碼器電纜斷路、短路或接觸不良，這時需更換電纜或接頭。還應特別注意是否是由於電纜固定不緊，造成鬆動引起開焊或斷路，這時需卡緊電纜。

3、編碼器+5V電源下降：是指+5V電源過低， 通常不能低於4.75V，造成過低的原因是供電電源故障或電源傳送電纜阻值偏大而引起損耗，這時需檢修電源或更換電纜。

4、絕對式編碼器電池電壓下降：這種故障通常有含義明確的報警，這時需更換電池，如果參考點位置記憶丟失，還須執行重回參考點操作。

編碼器（圖3）

5、編碼器電纜禁止線未接或脫落：這會引入干擾信號，使波形不穩定，影響通信的準確性，必須保證禁止線可靠的焊接及接地。

6、編碼器安裝鬆動：這種故障會影響位置控制 精度，造成停止和移動中位置偏差量超差，甚至剛一開機即產生伺服系統過載報警，請特別注意。

7、光柵污染 這會使信號輸出幅度下降，必須用脫脂棉沾無水酒精輕輕擦除油污。

安裝使用

絕對型旋轉編碼器的機械安裝使用：

絕對型旋轉編碼器的機械安裝有高速端安裝、低速端安裝、輔助機械裝置安裝等多種形式。

編碼器（圖4）

高速端安裝：安裝於動力馬達轉軸端（或齒輪連線），此方法優點是解析度高，由於多圈編碼器有4096圈，馬達轉動圈數在此量程範圍內，可充分用足量程而提高解析度，缺點是運動物體通過減速齒輪後，來回程有齒輪間隙誤差，一般用於單向高精度控制定位，例如軋鋼的輥縫控制。另外編碼器直接安裝於高速端，馬達抖動須較小，不然易損壞編碼器。

低速端安裝：安裝於減速齒輪後，如卷揚鋼絲繩捲筒的軸端或最後一節減速齒輪軸端，此方法已無齒輪來回程間隙，測量較直接，精度較高，此方法一般測量長距離定位，例如各種提升設備，送料小車定位等。

輔助機械安裝：

常用的有齒輪齒條、鏈條皮帶、摩擦轉輪、收繩機械等。

接線方法

旋轉編碼器是一種光電式旋轉測量裝置，它將被測的角位移直接轉換成數位訊號（高速脈衝信號）。
編碼器如以信號原理來分，有增量型編碼器，絕對型編碼器。
我們通常用的是增量型編碼器，可將旋轉編碼器的輸出脈衝信號直接輸入給PLC，利用PLC的高速計數器對其脈衝信號進行計數，以獲得測量結果。不同型號的旋轉編碼器，其輸出脈衝的相數也不同，有的旋轉編碼器輸出A、B、Z三相脈衝，有的只有A、B相兩相，最簡單的只有A相。
編碼器有5條引線，其中3條是脈衝輸出線，1條是COM端線，1條是電源線（OC門輸出型）。編碼器的電源可以是外接電源，也可直接使用PLC的DC24V電源。電源“-”端要與編碼器的COM端連線，“+ ”與編碼器的電源端連線。編碼器的COM端與PLC輸入COM端連線，A、B、Z兩相脈衝輸出線直接與PLC的輸入端連線，A、B為相差90度的脈衝，Z相信號在編碼器旋轉一圈只有一個脈衝，通常用來做零點的依據，連線時要注意PLC輸入的回響時間。旋轉編碼器還有一條禁止線，使用時要將禁止線接地，提高抗干擾性。
編碼器-----------PLC
A-----------------X0
B-----------------X1
Z------------------X2
+24V------------+24V
COM------------- -24V-----------COM

工作原理

由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環形通、暗的刻線，有光電發射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差（相對於一個周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩定信號；另每轉輸出一個Z相脈衝以代表零位參考位。

編碼器（圖5）

由於A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，通過零位脈衝，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑膠，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由於金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩定性就要比玻璃的差一個數量級，塑膠碼盤是經濟型的，其成本低，但精度、熱穩定性、壽命均要差一些。

解析度—編碼器以每旋轉360度提供多少的通或暗刻線稱為解析度，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉分度5~10000線。

主要作用

它是一種將旋轉位移轉換成一串數字脈衝信號的旋轉式感測器，這些脈衝能用來控制角位移，如果編碼器與齒輪條或螺旋絲槓結合在一起，也可用於測量直線位移。

編碼器（圖6）

編碼器產生電信號後由數控制置CNC、可程式邏輯控制器PLC、控制系統等來處理。這些感測器主要套用在下列方面：工具機、材料加工、電動機反饋系統以及測量和控制設備。在ELTRA編碼器中角位移的轉換採用了光電掃描原理。讀數系統是基於徑向分度盤的旋轉，該分度由交替的透光視窗和不透光視窗構成的。此系統全部用一個紅外光源垂直照射，這樣光就把盤子上的圖像投射到接收器表面上，該接收器覆蓋著一層光柵，稱為準直儀，它具有和光碟相同的視窗。接收器的工作是感受光碟轉動所產生的光變化，然後將光變化轉換成相應的電變化。一般地，旋轉編碼器也能得到一個速度信號，這個信號要反饋給變頻器，從而調節變頻器的輸出數據。故障現象：1、旋轉編碼器壞（無輸出）時，變頻器不能正常工作，變得運行速度很慢，而且一會兒變頻器保護，顯示“PG斷開”...聯合動作才能起作用。要使電信號上升到較高電平，並產生沒有任何干擾的方波脈衝，這就必須用電子電路來處理。編碼器pg接線與參數矢量變頻器與編碼器pg之間的連線方式，必須與編碼器pg的型號相對應。一般而言，編碼器pg型號分差動輸出、集電極開路輸出和推輓輸出三種，其信號的傳遞方式必須考慮到變頻器pg卡的接口，因此選擇合適的pg卡型號或者設定合理.

編碼器一般分為增量型與絕對型，它們存著最大的區別：在增量編碼器的情況下，位置是從零位標記開始計算的脈衝數量確定的，而絕對型編碼器的位置是由輸出代碼的讀數確定的。在一圈裡，每個位置的輸出代碼的讀數是唯一的；　因此，當電源斷開時，絕對型編碼器並不與實際的位置分離。如果電源再次接通，那么位置讀數仍是當前的，有效的；　不像增量編碼器那樣，必須去尋找零位標記。

編碼器（圖7）

編碼器的廠家生產的系列都很全，一般都是專用的，如電梯專用型編碼器、工具機專用編碼器、伺服電機專用型編碼器等，並且編碼器都是智慧型型的，有各種並行接口可以與其它設備通訊。

編碼器是把角位移或直線位移轉換成電信號的一種裝置。前者成為碼盤，後者稱碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式採用電刷輸出，一電刷接觸導電區或絕緣區來表示代碼的狀態是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，採用光敏元件時以透光區和不透光區來表示代碼的狀態是“1”還是“0”。

按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈衝，用脈衝的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。

編碼器（圖8）

旋轉增量式編碼器以轉動時輸出脈衝，通過計數設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣，當停電後，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈衝過程中，也不能有干擾而丟失脈衝，不然，計數設備記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產結果出現後才能知道。解決的方法是增加參考點，編碼器每經過參考點，將參考位置修正進計數設備的記憶位置。在參考點以前，是不能保證位置的準確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點，開機找零等方法。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

絕對編碼器由機械位置決定的每個位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數，什麼時候需要知道位置，什麼時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數據的可靠性大大提高了。

由於絕對編碼器在定位方面明顯地優於增量式編碼器，已經越來越多地套用於工控定位中。絕對型編碼器因其高精度，輸出位數較多，如仍用並行輸出，其每一位輸出信號必須確保連線很好，對於較複雜工況還要隔離，連線電纜芯數多，由此帶來諸多不便和降低可靠性，因此，絕對編碼器在多位數輸出型，一般均選用串列輸出或匯流排型輸出，德國生產的絕對型編碼器串列輸出最常用的是SSI（同步串列輸出）。

編碼器（圖9）

多圈絕對式編碼器。編碼器生產廠家運用鐘錶齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎上再增加圈數的編碼，以擴大編碼器的測量範圍，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複，而無需記憶。多圈編碼器另一個優點是由於測量範圍大，實際使用往往富裕較多，這樣在安裝時不必要費勁找零點，將某一中間位置作為起始點就可以了，而大大簡化了安裝調試難度。多圈式絕對編碼器在長度定位方面的優勢明顯，已經越來越多地套用於工控定位中。

信號輸出

信號輸出有正弦波（電流或電壓），方波(TTL、HTL)，集電極開路(PNP、NPN)，推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅動（對稱A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設備接口應與編碼器對應。

編碼器（圖10）

信號連線—編碼器的脈衝信號一般連線計數器、PLC、計算機,PLC和計算機連線的模組有低速模組與高速模組之分，開關頻率有低有高。

如單相聯接，用於單方向計數，單方向測速。

A.B兩相聯接，用於正反向計數、判斷正反向和測速。

A、B、Z三相聯接，用於帶參考位修正的位置測量。

A、A-,B、B-,Z、Z-連線，由於帶有對稱負信號的連線，電流對於電纜貢獻的電磁場為0,衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離。

對於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。

對於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。

選型注意

應注意三方面的參數：

1、機械安裝尺寸：包括定位止口，軸徑，安裝孔位;電纜出線方式;安裝空間體積;工作環境防護等級是否滿足要求。

2、解析度：即編碼器工作時每圈輸出的脈衝數，是否滿足設計使用精度要求。

3、電氣接口：編碼器輸出方式常見有推拉輸出(F型HTL格式)，電壓輸出(E)，集電極開路(C，常見C為NPN型管輸出，C2為PNP型管輸出)，長線驅動器輸出。其輸出方式應和其控制系統的接口電路相匹配。

優缺點

光電編碼器

優點：體積小，精密，本身分辨度可以很高，無接觸無磨損;同一品種既可檢測角度位移，又可在機械轉換裝置幫助下檢測直線位移;多圈光電絕對編碼器可以檢測相當長量程的直線位移(如25位多圈)。壽命長，安裝隨意，接口形式豐富，價格合理。成熟技術，多年前已在國內外得到廣泛套用。

缺點：精密但對戶外及惡劣環境下使用提出較高的保護要求；量測直線位移需依賴機械裝置轉換，需消除機械間隙帶來的誤差；檢測軌道運行物體難以克服滑差。

靜磁柵絕對編碼器

優點：體積適中，直接測量直線位移，絕對數字編碼，理論量程沒有限制；無接觸無磨損，抗惡劣環境，可水下1000米使用；接口形式豐富，量測方式多樣；價格尚能接受。

缺點：分辨度1mm不高；測量直線和角度要使用不同品種；不適於在精小處實施位移檢測（大於260毫米）。