一文读懂旋转编码器

在城市中，电梯是一种十分常见、并且与人们日常生活密不可分的传送设备。不过，绝大多数人在乘坐电梯时，可能很少考虑到它在面对很多人同时需求时，如何准确地把不同楼层的人分送到各自所要求的目的地的。

这背后，旋转编码器就发挥了重要的作用：在电梯运行过程中，通过旋转编码器检测、软件实时计算以下信号——电梯所在层楼位置、换速点位置、平层点位置，从而进行楼层计数、发出换速信号和平层信号。 

旋转编码器的概念

相信很多人对“编码器”这个词还比较陌生，那么它到底面目如何？是怎样在幕后默默无闻地为我们的生活和生产发挥着巨大的作的呢？

编码器是一种用于运动控制的传感器。它利用光电、电磁、电容或电感等感应原理，检测物体的机械位置及其变化，并将此信息转换为电信号后输出，作为运动控制的反馈，传递给各种运动控制装置。  

旋转编码器属于编码器中较为特殊的一种，它通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出，用来测量转速并配合PWM技术可以实现快速调速，是工业中常用的电机定位设备，可以精确的测试电机的角位移和旋转位置。

旋转编码器的优点

1、信息化：除了定位，控制室还可知道其具体位置。

2、柔性化：定位可以在控制室柔性调整。

3、现场安装的方便和安全。

4、长寿：拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个μ到几十几百米的距离，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装问题，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。

5、多功能化：除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。

6、经济化：对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，以及更主要的安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。

综上所述优点，旋转编码器在电梯、机床、电机配套等领域占有非常重要的地位，并越来越广泛地被应用于各种工控场合。

旋转编码器的种类

根据检测原理，旋转编码器一般可分为光电式、磁式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

光式电编码器 

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。一般的光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转．经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。

通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的2个通道的光码输出，根据双通道光码的状态变化确定电机的转向。

光电编码器一般检测精度相对较高，但在户外及恶劣环境下使用时需要较高的防护要求，并且不适宜在凝露的环境中使用。

磁式编码器 

磁性编码器主要部分由磁阻传感器、磁鼓、信号处理电路组成。将磁鼓刻录成等间距的小磁极，磁极被磁化后，旋转时产生周期分布的空间漏磁场。

磁传感器探头通过磁电阻效应将变化着的磁场信号转化为电阻阻值的变化，在外加电势的作用下，变化的电阻值转化成电压的变化，经过后续信号处理电路的处理，模拟的电压信号转化成计算机可以识别的数字信号，实现磁旋转编码器的编码功能。

磁鼓充磁的目的是使磁鼓上的一个个小磁极被磁化，这样在磁 鼓随着电动机旋转时，磁鼓能产生周期变化的空间漏磁，作用于磁电阻之上。实现编码功能。

同光学检测原理相比，磁电式检测原理具有抗振动、抗污染等特点，可应用于传统的光电编码器不能适应的领域。

电容式编码器

电容式编码器，其原理与成熟、低成本而且精密的数字游标卡尺相同。电容编码器采用杆状或线状形式，一个位于固定元件上，另一个位于活动元件上，构成配置为发射器/接收器对的可变电容。

一体式ASIC对这些线的变化进行计数，并利用内插法寻找轴的位置和转动方向，建立标准的正交输出，以及其它编码器提供的换向输出，用于控制无刷直流电机。

电容式编码器的优点是不会磨损，不受工业环境中常见的灰尘、污垢和油脂等污染物质的影响，使其本质上比光学编码器更可靠。电容式编码器还具有其数字控制特征带来的性能优势，包括调节编码器分辨率的能力 (脉冲/转数)，不需要更换为分辨率更高或更低的编码器。

增量式编码器 

增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量的增加（正方向）或减少（负方向）。在接合数字电路特别是单片机后，增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉价和简易的优势。

增量式编码器的内部结构和工作原理 

增量式编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图所示：

码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。

它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号。

增量式编码器利用光电转换原理将电信号经过转换电路的信号处理后，输出三组方波脉冲A、B和 Z相。A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高分辩率时，可利用90度相位差的 A、B 两路信号进行倍频或更换高分辩率编码器。

Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

A、B两点对应两个光敏接受管，A、B两点间距为 S2,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。通过输出波形图可知每个运动周期的时序。

我们把当前的A、B输出值保存起来，与下一个A、B输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向。如果光栅格S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消耗的时间，就得到此次角度码盘运动位移角速度。

S0等于S1时，且S2等于S0的1/2时，1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度了。我们常用的鼠标也是这个原理。 

绝对式编码器

绝对式编码器工作原理

绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。

这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。

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。

旋转单圈绝对式编码器，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。

绝对式编码器特点

绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。

它的主要特点是：

1、可以直接读出角度坐标的绝对值；

2、没有累积误差；

3、电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数。

混合式绝对值编码器

混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。 

旋转编码器的主要功能就是用于监测传动系统中的旋转或转动部件，旋转编码器包括传感器在设计时充分考虑了安全要素。该产品的设计为我们的工作带来了很大的效率，旋转编码器的使用为用户在工作中提高了加工效率。

旋转编码器主要应用于电梯、机床、电机配套、纺织、重载机械、医疗机械等OEM行业，其中电梯、机床和电机配套等属于重点应用领域。

旋转编码器它将带领编码器产品生产行业走向市场领先地位。旋转编码器的出现对于编码器生产行业来说是一个划时代的巨变，让我国的编码器产品种类越来越多，给我们的生活也带来了很多改变。随着现代科技的不断革新，应用于旋转编码器的高新技术越来越多不断推动着编码器向更高的层次发展，让旋转编码器在市场中发挥的作用越来越明显。