沒(méi)有它，電梯不能把你送到想去的樓層，機(jī)床不能精確切割物料，電機(jī)就會(huì)亂轉(zhuǎn)。它就是一代神器——編碼器！

一. 什么是編碼器

編碼器是一個(gè)機(jī)械與電子緊密結(jié)合的精密測(cè)量器件。它通過(guò)光電或電磁原理將一個(gè)機(jī)械的幾何位移量轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)（電子脈沖或數(shù)據(jù)串）。這種電子信號(hào)通常需要連接到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到測(cè)量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行下一步工作。

 

圖 1 編碼器

二. 編碼器分類(lèi)

按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類(lèi)。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。

按照檢測(cè)工作原理，又可以分為光電式和電磁式。

 

 

 

 

磁編碼器的特點(diǎn)：堅(jiān)固、抗振動(dòng)、灰塵、臟、潮濕、成本低；

光電編碼器的特點(diǎn)：高分辨率、精度更高、通孔軸套。

1. 增量式編碼器

增量式編碼器通常有3個(gè)輸出口，分別為A相、B相、Z相輸出，A相與B相之間相互延遲1/4周期的脈沖輸出，根據(jù)延遲關(guān)系可以區(qū)別正反轉(zhuǎn)，而且通過(guò)取A相、B相的上升和下降沿可以進(jìn)行2或4倍頻;Z相為單圈脈沖，即每圈發(fā)出一個(gè)脈沖。

增量測(cè)量法的光柵由周期性柵條組成。位置信息通過(guò)計(jì)算自某點(diǎn)開(kāi)始的增量數(shù)（測(cè)量步距數(shù)）獲得。由于必須用絕對(duì)參考點(diǎn)確定位置值，因此圓光柵碼盤(pán)還有一個(gè)參考點(diǎn)軌。

 

 

 

 

2. 絕對(duì)式編碼器

絕對(duì)式編碼器就是對(duì)應(yīng)一圈，每個(gè)基準(zhǔn)的角度發(fā)出一個(gè)唯一與該角度對(duì)應(yīng)二進(jìn)制的數(shù)值，通過(guò)外部記圈器件可以進(jìn)行多個(gè)位置的記錄和測(cè)量。

編碼器通電時(shí)就可立即得到位置值并隨時(shí)供后續(xù)信號(hào)處理電子電路讀取。無(wú)需移動(dòng)軸執(zhí)行參考點(diǎn)回零操作。絕對(duì)位置信息來(lái)自圓光柵碼盤(pán)，它由一系列絕對(duì)碼組成。單獨(dú)的增量刻軌信號(hào)通過(guò)細(xì)分生成位置值，同時(shí)也能生成供選用的增量信號(hào)。

單圈編碼器的絕對(duì)位置值信息每轉(zhuǎn)一圈重復(fù)一次。多圈編碼器也能區(qū)分每圈的位置值。

 

圖2 絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器的圓盤(pán)光柵

 

 

 

 

它們存著最大的區(qū)別：在增量編碼器的情況下，位置是從零位標(biāo)記開(kāi)始計(jì)算的脈沖數(shù)量確定的，而絕對(duì)型編碼器的位置是由輸出代碼的讀數(shù)確定的。在一圈里，每個(gè)位置的輸出代碼的讀數(shù)是唯一的，因此當(dāng)電源斷開(kāi)時(shí)，絕對(duì)型編碼器并不與實(shí)際的位置分離。如果電源再次接通，那么位置讀數(shù)仍是當(dāng)前的、有效的，不像增量編碼器那樣，必須去尋找零位標(biāo)記。

下圖給出了兩種編碼器的區(qū)別。

 

三. 編碼器工作原理

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤(pán)的時(shí)序和相位關(guān)系，得到其角度碼盤(pán)角度位移量增加（正方向）或減少（負(fù)方向）。

下面對(duì)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的內(nèi)部工作原理。

 

A、B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)兩個(gè)光敏接受管，A、B兩點(diǎn)間距為 S2，角度碼盤(pán)的光柵間距分別為S0和S1。

當(dāng)角度碼盤(pán)以某個(gè)速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，那么可知輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)際圖的S0：S1：S2比值相同，同理角度碼盤(pán)以其他的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)際圖的S0：S1：S2比值仍相同。如果角度碼盤(pán)做變速運(yùn)動(dòng)，把它看成為多個(gè)運(yùn)動(dòng)周期（在下面定義）的組合，那么每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)際圖的S0：S1：S2比值仍相同。

通過(guò)輸出波形圖可知每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的時(shí)序?yàn)?

 

我們把當(dāng)前的A、B輸出值保存起來(lái)，與下一個(gè)A、B輸出值做比較，就可以輕易的得出角度碼盤(pán)的運(yùn)動(dòng)方向，如果光柵格S0等于S1時(shí)，也就是S0和S1弧度夾角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度碼盤(pán)運(yùn)動(dòng)位移角度為S0弧度夾角的1/2，除以所消毫的時(shí)間，就得到此次角度碼盤(pán)運(yùn)動(dòng)位移角速度。

S0等于S1時(shí)，且S2等于S0的1/2時(shí)，1/4個(gè)運(yùn)動(dòng)周期就可以得到運(yùn)動(dòng)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個(gè)運(yùn)動(dòng)周期才可以得到運(yùn)動(dòng)方向位和位移角度了。

我們常用的鼠標(biāo)也是這個(gè)原理哦。

繞不開(kāi)的格雷碼

絕對(duì)型編碼器輸出的是格雷碼，那么格雷碼是什么？

典型的二進(jìn)制格雷碼（Binary Gray Code）簡(jiǎn)稱格雷碼，因1953年公開(kāi)的弗蘭克·格雷（Frank Gray，18870913-19690523）專利“Pulse Code Communication”而得名，當(dāng)初是為了通信，現(xiàn)在則常用于模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換和位置－數(shù)字轉(zhuǎn)換中。

在一組數(shù)的編碼中，若任意兩個(gè)相鄰的代碼只有一位二進(jìn)制數(shù)不同，則稱這種編碼為格雷碼（Gray Code），另外由于最大數(shù)與最小數(shù)之間也僅一位數(shù)不同，即“首尾相連”，因此又稱循環(huán)碼或反射碼。在數(shù)字系統(tǒng)中，常要求代碼按一定順序變化。例如，按自然數(shù)遞增計(jì)數(shù)，若采用8421碼，則數(shù)0111變到1000時(shí)四位均要變化，而在實(shí)際電路中，4位的變化不可能絕對(duì)同時(shí)發(fā)生，則計(jì)數(shù)中可能出現(xiàn)短暫的其它代碼（1100、1111等）。在特定情況下可能導(dǎo)致電路狀態(tài)錯(cuò)誤或輸入錯(cuò)誤。使用格雷碼可以避免這種錯(cuò)誤。格雷碼有多種編碼形式。

 

四. 編碼器的應(yīng)用