2022年编码器原理 .pdf

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1、 1、增量型编码器工作原理 :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，

2、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510000 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

3、高速模块之分，开关频率有低有高。如单相联接，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：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整

4、理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 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 )。2、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

5、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

6、，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增量旋转编码器选型有哪些注意事项？应注意三方面的参数：1 械安装尺寸，包括定位止口，轴径，安装孔位；电缆出线方式；安装空间体积；工作环境防护等级是否满足要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -

7、 - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 2 分辨率，即编码器工作时每圈输出的脉冲数，是否满足设计使用精度要求。3电气接口，编码器输出方式常见有推拉输出（F 型 HTL 格式） ，电压输出（ E） ，集电极开路（C，常见C 为 NPN 型管输出， C2 为 PNP 型管输出），长线驱动器输出。其输出方式应和其控制系统的接口电路相匹配。请教如何使用增量编码器？1，增量型旋转编码器有分辨率的差异，使用每圈产生的脉冲数来计量，数目从6 到 5400 或更高，脉冲数越多，分辨率越高；这是选

8、型的重要依据之一。2，增量型编码器通常有三路信号输出（差分有六路信号）：A,B 和 Z，一般采用TTL 电平， A 脉冲在前，B 脉冲在后， A,B 脉冲相差 90 度，每圈发出一个Z 脉冲，可作为参考机械零位。一般利用A 超前 B 或 B超前 A 进行判向。3，使用PLC 采集数据，可选用高速计数模块；使用工控机采集数据，可选用高速计数板卡；使用单片机采集数据，建议选用带光电耦合器的输入端口。4，建议 B 脉冲做顺向（前向）脉冲，A 脉冲做逆向（后向）脉冲，Z 原点零位脉冲。5，在电子装置中设立计数栈。关于电源供应及编码器和PLC 连接：一般编码器的工作电源有三种：5Vdc、5-13 Vdc

9、 或 11-26Vdc。如果你买的编码器用的是11-26Vdc 的，就可以用 PLC 的 24V 电源，需注意的是：1 编码器的耗电流，在PLC 的电源功率范围内。2 编码器如是并行输出，连接PLC 的 I/O 点，需了解编码器的信号电平是推拉式（或称推挽式）输出还是集电极开路输出，如是集电极开路输出的，有N 型和 P 型两种，需与PLC 的 I/O 极性相同。如是推拉式输出则连接没有什么问题。3 编码器如是驱动器输出，一般信号电平是5V 的，连接的时候要小心，不要让24V 的电源电平串入5V名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

10、- - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 的信号接线中去而损坏编码器的信号端。干扰的问题选择什么样的输出对抗干扰也很重要，一般输出带反向信号的抗干扰要好一些，即A+A-,B+B-,Z+Z-，其特征是加上电源8 根线，而不是5 根线 (共零 )。带反向信号的在电缆中的传输是对称的，受干扰小，在接受设备中也可以再增加判断（例如接受设备的信号利用A、B 信号 90 相位差，读到电平10、11、01、00 四种状态时，计为一有效脉冲，此方案可有效提高系统抗干扰性能（计数准确） 。何为长线驱动？普通型编码器能否远距离传送？长线驱动也

11、称差分长线驱动，5V，TTL 的正负波形对称形式，由于其正负电流方向相反，对外电磁场抵消，故抗干扰能力较强。普通型编码器一般传输距离是100 米，如果是 24V HTL 型且有对称负信号的，传输距离 300-400 米。增量光栅 Z 信号可否作零点？圆光栅编码器如何选用？无论直线光栅还是轴编码器其Z 信号的均可达到同AB 信号相同的精确度，只不过轴编码器是一圈一个，而直线光栅是每隔一定距离一个，用这个信号可达到很高的重复精度。可先用普通的接近开关初定位，然后找最为接近的Z 信号 (每次同方向找 )，装的时候不要望忘了将其相位调的和光栅相位一致，否则不准。增量型编码器和绝对型编码器有何区别？做一

12、个伺服系统时怎么选择呢？常用的为增量型编码器，如果对位置、零位有严格要求用绝对型编码器。伺服系统要具体分析，看应用场合。测速度用常用增量型编码器，可无限累加测量；测位置用绝对型编码器，位置唯一性（单圈或多圈），最终看应用场合，看要实现的目的和要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 绝对型旋转编码器选型注意事项，旋转编码器和接近开关、光电开关优势比较：绝对编码器单圈从经济型8 位到高精度17 位；绝对编码器多圈大部分

13、用25 位，输出有SSI，总线 Profibus-DP,Can L2,Interbus,DeviceNet 。从增量式编码器到绝对式编码器旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，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，在工控中就有每次操作先

14、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，我们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控项目比较麻烦，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n 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

15、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。由于绝对编码器在位置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控定位中。测速度需要可以无限累加测量，目前增量型编码器在测速应用方面仍处于无可取代的主流位置。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 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

16、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 度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360 度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。如果要测量旋转超过360 度范围，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。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

17、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。绝对型编码器的串行和并行输出的介绍并行输出：绝对型编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码） ， 并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1 或 0，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，输出即时，连接简单。但是并行输出有如下问题：1。必须是格雷码， 因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。2。所有接口必须确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判断。3。传输距离不能远，一般在一两米，对于

18、复杂环境，最好有隔离。4。对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 并行：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。增量型编码器输出的通常是并行输出。串行输出：串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)

19、 、RS485等。串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和可靠性就大大提高了，一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。由于绝对型编码器的部分知名厂家在德国，所以串行输出大部分是与德国的西门子配套的，如SSI 同步串行输出，总线型是PROFIBUS-DP 的输出等。串行输出编码器连接德国西门子的设备是比较容易的，但是连接非德国系的设备，接口就是问题了，我公司提供各种接口输出的仪表，可以解决这样的问题。串行：时间上，数据按照约定，有先后；空间上，所有位数的数据都在一组线缆上（先后）发出。串行编码器应该都是绝对式的? 串行是指按时间约定，串行输出数字编码信号，基本是绝对的，但也有一些增量编码

20、器，通过内置电池记忆原点，其也可以通过串行输出位置值，如电池线不联，还是增量编码器，此也称为伪绝对值编码器，在一些日本伺服系统中较多见。其本质其实还是增量编码器。为什么叫 “ 绝对型编码器 ” ？“ 绝对型编码器 ” 相对于 “ 增量型编码器 ” 而言。“ 绝对型编码器 ” 使用某种方式表示并记忆物体的绝对位置，角度和圈数。即一旦位置，角度和圈数固定，什么时候编码器的示值都唯一固定，包括停电后投电。 “ 增量型编码器 ” 做不到这一点。 一般 “ 增量型编码器 ”输出两个 A、B 脉冲信号，和一个Z(L) 零位信号， A、B 脉冲互差 90 度相位角。通过脉冲计数可以知道位名师资料总结 - -

21、 -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 置，角度和圈数增量，通过A,B 脉冲信号超前或滞后可以知道方向，停电后，必须从约定的基准重新开始计数。 “ 增量型编码器 ” 表示位置，角度和圈数需要做后处理，重新投电要做“ 复零 ” 操作，所以， “ 增量型编码器 ” 比“ 绝对型编码器 ” 在价格上便宜许多。绝对值编码器SSI 输出，同时提供了增量值信号A、B 两相 1Vpp ，是派什么用处的？在我们提供的绝对值编码器，德国的HEIDENHAIN

22、的 SSI 输出和德国HENGSTLER 的 SSI 输出，都同时提供了增量值信号A、B 两相 1Vpp 正弦波输出， 构成了绝对与增量的双输出，很多用户不明白这个增量信号是干什么用的，而剪掉联线废弃不用，真是蛮可惜的。一。此增量信号可以作为绝对信号的冗余。二。可以让绝对信号作为位置闭环，而增量信号作为速度闭环，构成位置控制与速度控制的双闭环系统，以达到位置的准确（无位置冲过头而振荡）和速度的高效，这是一个较先进的课题，目前国内似乎还没有看到有很好的应用介绍。三。增量信号是正弦波信号，其可以用模拟电路细分，这样，在绝对值编码器两个最小相邻码之间，还可以因为相位的变化不同，获得更精细的分辨率，从

23、而可以大大提高绝对值编码器的分辨率。电子凸轮开关现在还有一种绝对值、增量值、定位电子凸轮开关三输出的编码器，除了上面介绍的RS485 绝对值信号、A/B 增量值信号以外，还同时提供了多点定位电子凸轮开关，可预设定位开关，到预设位置可直接输出开关信号，控制减速、停车。这样，这一个绝对值编码器可同时输出连续绝对值信号显示位置、输出增量值信号作速度闭环、输出定位电子凸轮开关控制减速、定位！名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - -

24、 SSI与 Biss、Endat、Hipeface: SSI为同步串联界面(synchronous-serial interface)的英文缩写，其实际为两个RS422 通道，利用中断的时钟同步读数，最高时钟速度1.1 MHz. ssi 的数据形式最简单，一般不包含CRC 校验、产品内部信息及地址，在运动控制中，有提出更快、信息更多的要求时，各家编码器厂家推出了各自的方案，以海德汉为首的联合西门子公司，推出的是Endat;以宝马集团及亨斯乐推出的是Biss( 有个 Biss 协会 )；以 STEGMANN为首的推出hipeface. 实际上都是在SSI的基础上的改良的，基本物理格式都差不多，R

25、S422（或 RS485）,由时钟脉冲触发，只是速度更快，可达2-10MHZ ，并可增加编码器的内部信息、CRC 校验、故障报警的功能，有的可以增加地址，有的可以增加正余弦增量信号作冗余。由于目前的协议不同一，这些输出都要连接专用的接口，故具体使用，还是建议直接找各自的编码器厂家咨询为好。就我们使用的经验，除非你对速度及编码器安全有特别的要求，一般还是用SSI 通用的好，方便无论是光电编码器，还是电磁编码器，其工作电源一般都是DC5V,12V,24V, 其范围可谓530VDC等，是不可以接入220V 交流电源的。嗬嗬，你要尝试，我拦不住你。再买个新的，为货币流通、经济发展作贡献，国家和人民都感

26、谢你。编码器的输出形式因地域差异，分类也不一样。欧洲市场一般分：TTL 和 OC门； TTL 电平又有， TTL 和 HTL 的区分。通常TTL 为 5V 的差分电路（或叫线驱动器），HTL 为推拉输出电路（也可有差分电路，电源较高，可达30V ）.OC 门电路分 NPN 和 PNP 型，欧洲产品较多的使用PNP型，亚洲市场产品以小日本的为代表，多用NPN 型。如：西门子的PLC ，变频器等产品，选编码器，其输出形式就是PNP 的,这里如果选推拉输出的，就可以既满足欧洲产品的要求，又能满足亚洲产品的使用条件。三菱， OMRON ，松下的 PLC 就是 NPN 型输入名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -