绝对式编码器的工作原理及应用

编码器又称码盘，是一种旋转式位置或速度传感器，它的转轴通常与被测轴连接，随被测轴一起转动。图5-1所示为安装在电动机轴末端的编码器。

图5-1 安装在电动机轴末端的编码器

编码器能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲。它有两种基本类型：绝对式编码器和增量式编码器。

绝对式编码器是按照角度直接进行编码的传感器，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。

1.接触式编码器

图5-2所示为一个4位二进制接触式码盘。它在一个不导电基体上做成许多有规律的导电金属区，其中阴影部分为导电区，用“1”表示，其他部分为绝缘区，用“0”表示。码盘分成4个码道，在每个码道上都有一个电刷，电刷经取样电阻接地，信号从电阻上取出。这样，无论码盘处在哪个角度上，该角度均有4个码道上的“1”和“0”组成4位二进制编码与之对应。码盘最里面的一圈轨道是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经限流电阻接激励电源E的正极。

由于码盘是与被测转轴连在一起的，而电刷位置是固定的，当码盘随被测轴一起转动时，电刷和码盘的位置就发生相对变化。若电刷接触到导电区域，则该回路中的取样电阻上有电流流过，产生压降，输出为“1”；反之，若电刷接触的是绝缘区域，则不能形成回路，取样电阻上无电流流过，输出为“0”，由此可根据电刷的位置得到由“1”、“0”组成的4位二进制码。例如，在图5-2b中可以看到，此时的输出为0101。

从以上分析可知，码道的圈数（不包括最里面的公用码道）就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。由此可以推断出，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，且圆周均分2ⁿ个数据来分别表示其不同位置，所能分辨的角度α为

α=360°/2ⁿ；分辨率=1/2ⁿ （5-1）

从式（5-1）可以看出：位数n越大，所能分辨的角度α就越小，测量精度就越高。所以，若要提高分辨力，就必须增加码道数，即二进制位数。(www.xing528.com)

图5-2 接触式码盘

例如，某12码道的绝对式脉冲编码器，其每圈的位置数为2¹²=4096，分辨角度为α=360°/2¹²=5.27′；若为13码道，则每转位置数为2¹³=8192，分辨角度为α=360°/2¹³=2.67′。

另外，在实际应用中，对码盘制作和电刷安装要求十分严格，否则就会产生非单值性误差。例如，当电刷由位置（0111）向位置（1000）过渡时，若电刷安装位置不准或接触不良，可能会出现8～15之间的任意十进制数。为了消除这种非单值性误差，可采用二进制循环码盘（格雷码盘）。

图5-2c为一个4位格雷码盘，与图5-2b所示的BCD码盘相比，不同之处在于，码盘旋转时，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，所以每次只切换一位数，可把误差控制在最小单位内。

图5-3 绝对式光电码盘

2.绝对式光电编码器

绝对式光电编码器与接触式编码器结构相似，只是其中的黑白区域不表示导电区和绝缘区，而是表示透光或不透光区。其中，黑的区域为不透光区，用“0”表示；白的区域为透光区，用“1”表示。这样，在任意角度都有对应的二进制编码。与接触式编码盘不同的是，不必在最里面一圈设置公用码道，同时取代电刷的，是在每一码道上都有一组光电元件，如图5-3所示。

由于径向各码道的透光和不透光，使各光敏元件中，受光的输出“1”电平，不受光的输出“0”电平，由此而组成n位二进制编码。光电码盘的特点是没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，精度也较高。就码盘材料而言，不锈钢薄板所制成的光电码盘要比玻璃码盘抗振性好、耐不洁环境。但由于槽数受限，所以分辨力较低。