编码器及其工作原理——测量线位移和角位移的方法

编码器（Encoder）是根据位置的“编码”，把位移量转换成“数字代码”的方式计数的位移传感器。测量线位移的称为直线编码器，测量角位移的称为旋转编码器。

直线编码器有间接式和直接式两种类型。间接式直线编码器是在旋转编码器上加一套机械转换装置，如齿轮-齿条、丝杠螺母或绳轮等机构，把直线位移转换为角位移后再进行测量；直接式编码器是把码盘变成码尺，即一个直线（轴）化的码盘。

旋转编码器分为绝对式编码器和增量式编码器。绝对式编码器的任意位置都对应固定的编码，不需要基准数据点和计数就可以确定角位移量及所处位置；而增量式编码器输出的是一系列脉冲，要对其累计计数，对照（零位）基准数据才能实现角位移的测量。由于工作台的位移多数为旋转轴或丝杆螺母机构，所以旋转编码器应用更为广泛。

（一）码盘

码盘是利用对角度进行编码的方法实现绝对测量的检测元件。它把每一个不同的角度用不同的编码状态来表示，因此可以由码盘直接得到被测位移或被测角度的数学编码。码盘的内孔由安装码盘的被测轴径尺寸决定，外径由码盘上码道数和码道径向（宽度）尺寸决定。所需码道数目由分辨力决定，码道径向尺寸由敏感元件的几何参数和物理特性决定。

码盘的编码方式通常有二进制和格雷码。二进制编码式以电触点的通电和断电、光码盘的透光和不透光、磁极方向的正和反来表示二进制的0和1。这些码盘分别称为接触式编码器、光电式编码器及磁性编码器。而格雷码编码的特点是代码从任何数字转变到相邻的数时，在它附近各位数中只有一位发生变化，也称为循环码，它能有效避免较大误差的产生。

（二）光电式编码器

光电式编码器是将物体的运动转换为数字脉冲序列的仪器，它将相对/绝对位置信息通过计数单个位或一组位而转换为数字脉冲。一般应用较普遍的光电式编码器为旋转式光电编码器。旋转式光电编码器也有绝对式和增量式两种类型，以下将具体介绍。

绝对式光电编码器是通过产生编码信息来区别转轴上的N个不同位置，它的码道是一组同心圆环，各码道上有其独立的光敏器件沿径向排列。它可用二进制或者格雷码进行编码，格雷码由于具有最小的不确定性，而二进制码可同计算机及其他数字设备直接连接进行数据传输。格雷码在每一次变化中只有一位的状态发生改变，减少了由于位过渡时误读产生的错误，所以一般先采用格雷码码盘，再通过转换电路变为二进制码后传输到微处理器。绝对式光电编码器的优点在于编码位置的数码是唯一的，不因系统断电、重新测量而改变，测量数据不会丢失，上电可立刻确定编码位置数据，不需要自引导过程。因此绝对式光电编码器抗干扰能力强，工作可靠性高。

增量式光电编码器也称相对式光电编码器，其结构较绝对式光电编码器简单，主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图3-16所示。它的码盘由两个码道即循环码道和索引码道组成。循环码道即增量计数码道，由均匀交错的避光与透光光栅条纹组成；索引码道为方向码道，由彼此分立的零位光栅组成，与循环码道的空间分辨率相同。增量式光电编码器输出被称为通道A和B。当轴旋转时，根据循环码道上产生的莫尔条纹经光敏电池输出相位差为90°的两路正弦信号的相位关系，可确定码盘的转动方向，而A、B通道则按轴的转速以一定的频率发出脉冲信号，通过统计脉冲的个数并确定码盘的分辨率，即可测量出轴的转角。而索引码道上刻有零位光栅在每转中会发出一个尖脉冲信号，指示出光栅码盘的绝对零位，作为启动脉冲加法计数或减法计数的信号，这个零位信号也称为Z通道。(www.xing528.com)

图3-16　增量式光电编码器的组成

编码器的角分辨率是关于码盘缝隙数目ns和码盘平面上光检测的有效长度DW的函数，即

齿轮驱动的编码器可以提高其分辨率，这是由于轴每旋转一周，它的工作行程多于一周期。但是这种编码器价格昂贵，并且存在齿轮接触间隙、正反转等因素引起的误差。

由于增量式光电编码器利用光栅莫尔条纹测角位移，可采用电子技术或软件技术对最小分辨角信号进行细分，所以它的测量精度高，信号处理电路较简单，并且具有抗干扰能力强、信号传输距离长、可靠性高、机械平均寿命长等优点。但在实际过程中，如果可逆计数器因干扰发生错误计数，则会产生计数误差，并且存在无法直接读出转动轴的绝对位置信息的缺点；另一种增量编码器为磁电式增量编码器，它由充磁磁鼓、磁阻敏感器件（探头）和信号处理电路组成，因存在被外界消磁风险，目前已较少使用。

（三）旋转编码器在液压刀库位控中的应用

在某卧式加工中心，采用旋转编码器进行刀库位置检测。液压马达带动分度盘通过主驱动齿轮拖动刀链，马达、分度盘每转一圈，刀库转过一个刀套（该刀库共60个刀套）。分度盘控制刀库精确到位，分度臂松开，分度盘高速旋转，刀套接近定位位置时，分度臂夹紧，分度盘改为低速旋转，当分度臂前端落入分度盘定位槽后，将其锁死，此时刀套正好停在定位位置。接近开关SL151、SL152检测分度臂松开和夹紧。位置检测轴与主驱动齿轮关联、外接旋转编码器进行刀库计数，刀链完成一个循环，检测轴旋转一周。

根据刀库位置的个数，选用60脉冲/转、有A、B、Z三相信号输出的增量式旋转编码器，接线如图3-17所示。A、B相脉冲输出作为刀库正、反转的位置检测，Z相作为1号刀套零位位置标记。编码器安装时需仔细调整编码器轴的安装角度，确保编码器信号角度和分度盘实际机械角度准确对应。

图3-17　编码器接线图