11. 编码器详解

旋转编码器的原理示意图如下图所示。旋转编码器内部大都由码盘、光电检测装置和信号处理电路等部分构成。码盘上刻了若干圈线槽， 线槽等距并且可透光，当码盘旋转时就会周期性的透过和遮挡来自光电检测装置的光线，这样检测装置就会周期性的生成若干电信号。 但是这些电信号通常比较微弱，需要加入一套处理电路对信号进行放大和整形，最后把信号整形为脉冲信号并向外输出。

图7-2 编码器原理示意图

虽然旋转编码器的原理在总体上差不多，但是对于这些原理的具体实现方法却有很大不同。

首先来看增量式编码器。上节提到过，增量式编码器都有A、B两通道信号输出，这是因为增量式编码器的码盘上有两圈线槽， 两圈线槽的之间会错开一定的角度，这个角度会使得光电检测装置输出的两相信号相差 1/4 周期(90°)。码盘的具体工作方式如下图所示。 图中黑色代表透光，白色代表遮光。当码盘转动时，内圈和外圈的线槽会依次透过光线，光电检测装置检测到光线通断的变化， 就会相应的输出脉冲信号，因为内外圈遮光和透光时候存在时间差，所以也就有了A、B两通道信号的相位差。

图7-3 增量式编码器码盘运作方式1

图7-4 增量式编码器码盘运作方式2

图7-5 增量式编码器码盘运作方式3

根据两相信号变化的先后顺序就可以判断运动方向，记录输出的脉冲个数可以知道位移量的大小，同时通过输出信号的频率就能得到速度。

一些增量式编码器上会有4圈线槽，分别对应A、B、-A、-B四相信号，相邻两相信号间也是差1/4周期，只不过这种编码器会把-A和-B两相信号反相， 然后叠加到A、通道B，用来增强信号。除了通道A、通道B以外，很多增量式编码器还会设置一个额外的通道Z输出信号。通道Z信号也在码盘上有对应的线槽， 不过只有一条，码盘转一圈才会经过一次。通道Z信号一般用做参考零位，指示设备位置或者清除积累量。

另一种较为常用的增量式编码器是霍尔编码器。霍尔增量式编码器在结构上和光电式几乎相同，只不过检测原理变成了霍尔效应。 内部元件也稍有不同，霍尔编码器的码盘上不是线槽，而是不同的磁极，或者有些直接把电机的旋转磁场当作码盘， 然后检测装置换成了霍尔传感器。输出和光电式相同，仍然是相位差1/4周期的A、B两通道信号。

增量式编码器计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。需要提高分辨率时，可触发A、B两通道信号的上升沿和下降沿对原脉冲数进行倍频。 但是当接收设备停机重启后，增量式编码器需要重新寻找参考零点。

接着是绝对式编码器。绝对式编码器在总体结构上与增量式比较类似，都是由码盘、检测装置和放大整形电路构成，但是具体的码盘结构和输出信号含义不同。 绝对式编码器的码盘上有很多圈线槽，被称为码道，每一条码道内部线槽数量和长度都不同。它们共同组成一套二进制编码， 一条码道对应二进制数的其中一个位，通常是码盘最外侧的码道表示最低位，最内侧的码道表示最高位。码道的数量决定了二进制编码的位数， 一个绝对式编码器有 N 条码道，它就能输出 N 位二进制数，且输出二进制数的总个数是 2N 个。 这些二进制数与转轴的机械位置是固定的，和编码器外部因素无关，所以叫做绝对式编码器。在接收设备断电重启后绝对式编码器无需寻找参考零点。

下图是一个简化版的绝对式编码器码盘，其中白色块透光表示0，黑色块不透光表示1。码盘上的二进制数逆时针依次增大。

图7-6 绝对式编码器码盘（自然二进制）

图中码盘有3条码道，一共可表示23=8个二进制数，所以整个码盘被分成了8个扇区，每个扇区表示一个3位二进制数， 每个二进制数对应一个转轴的位置信息。码盘采用自然二进制编码，自然二进制编码的优点是很方便直观，但是受编码器制造和安装精度的影响， 实际应用中二进制数的每一位不可能同时改变，或者出现码盘停在两个扇区中间，这些情况都很容易造成读数错误。

为了避免出现读数错误，可以使用格雷码来解决。下图是一个使用格雷码的码盘，同样的，白色块透光表示0，黑色块不透光表示1。码盘上的二进制数逆时针依次增大。

图7-7 绝对式编码器码盘（格雷码）

图中码盘的码道数与上面的自然二进制码盘完全一致，也能表示8个3位二进制数，只不过将编码方式换成了格雷码。 利用任意相邻的二进制格雷码数都只有一位不同的特性，采用这种编码的码盘在一定程度上克服了自然二进制码盘容易产生读数错误的问题。

绝对式编码器还分为单圈绝对式编码器和多圈绝对式编码器，上面举的两个例子都是针对单圈也就是360°以内的情况，当码盘转动超过360°， 输出的编码会重复，这样不符合绝对式编码器数据唯一的要求，所以就出现了多圈绝对式编码器。多圈绝对式编码器的量程可以超过360°，并且通常超出很多， 其内部结构也比单圈的复杂，但是基本原理都是一样的。