编码器资料
增量式光电编码器
2011-03-14 16:09
增量式光电编码器原理及其结构
增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能
通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用
是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某
个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编
码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方
便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转
一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。 增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图
1-1 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，电信号经过转换电路的信号处理，可以
得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图1-2 所示。 增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万
小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法
直接读出转动轴的绝对位置信息。
图 1-2 增量式光电编码器的输出信号波形
1.2.2 基本技术规格
在增量式光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关
键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式。
（1）分辨率
光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即
脉冲数/转（PPR）。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，
编码器的分辨率就越高。在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在
500~6000PPR 的增量式光电编码器，最高可以达到几万PPR。交流伺服电机控制系统中通
常选用分辨率为2500PPR 的编码器。此外对光电转换信号进行逻辑处理，可以得到2 倍频
或4 倍频的脉冲信号，从而进一步提高分辨率。
（2）精度
增量式光电编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度是一种度量在
所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。精度通常用角度、角分或
角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因
素有关，也与安装技术有关。
（3）输出信号的稳定性
编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输
出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源
特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，
在设计和使用中都要给予充分考虑。
（4）响应频率
编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。当编码器高速
旋转时，如果其分辨率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。如果光电检测器件和电
子线路元器件的工作速度与之不能相适应，就有可能使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉
冲的现象。这样输出信号就不能准确反映轴的位置信息。所以，每一种编码器在其分辨率一
定的情况下，它的最高转速也是一定的，即它的响应频率是受限制的。编码器的最大响应频
率、分辨率和最高转速之间的关系如公式（1-1）所示。
（5）信号输出形式
在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。所以，在编码器内还必须将此信号放大、
整形。经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易进行数字
处理，所以这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采用正弦波输出信号时基本消除了
定位停止时的振荡现象，并且容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。
增量式光电编码器的信号输出形式有：集电极开路输出（Open Collector）、电压输出
（Voltage Output）、线驱动输出（Line Driver）、互补型输出（Complemental Output）和推挽
式输出（Totem Pole）。
集电极开路输出这种输出方式通过使用编码器输出侧的NPN 晶体管，将晶体管的发
射极引出端子连接至0V，断开集电极与+Vcc的端子并把集电极作为输出端。在编码器供电
电压和信号接受装置的电压不一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。
输
出电路如图
1-3 所示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、
包装机械和针织机械等。
图 1-3 集电极开路输出电路
电压输出这种输出方式通过使用编码器输出侧的 NPN 晶体管，将晶体管的发射极引
出端子连接至0V，集电极端子与+Vcc和负载电阻相连，并作为输出端。在编码器供电电压
和信号接受装置的电压一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。输出电路如图1-4 所
示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机
械和针织机械等。
图 1-4 电压输出电路
线驱动输出这种输出方式将线驱动专用IC 芯片（26LS31）用于编码器输出电路，由
于它具有高速响应和良好的抗噪声性能，使得线驱动输出适宜长距离传输。输出电路如图
1-5 所示。主要应用领域有伺服电机、机器人、数控加工机械等。
图 1-5 线驱动输出电路
互补型输出这种输出方式由上下两个分别为PNP 型和NPN 型的三极管组成，当其中
一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。这种输出形式具有高输入阻抗和低输出阻抗，
因此在低阻抗情况下它也可以提供大范围的电源。由于输入、输出信号相位相同且频率范围
宽，因此它适合长距离传输。输出电路如图1-6 所示。主要应用于电梯领域或专用领域。
图 1-6 互补型输出电路
推挽式输出这种输出方式由上下两个 NPN 型的三极管组成，当其中一个三极管导通
时，另外一个三极管则关断。电流通过输出侧的两个晶体管向两个方向流入，并始终输出电
流。因此它阻抗低，而且不太受噪声和变形波的影响。输出电路如图1-7 所示。主要应用领
域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。
图 1-7 推挽式输出电路
风力发电机机设计中的旋转编码器
2011-03-14 16:03
风力涡轮机设计中的旋转编码器
作者：TY Macalpine 来源：Sick-Stegmann公司 发布时间：2009-8-27 10:50:08 [收
藏] [评 论]
编码器技术是风能获取的关键
旋转编码器在风能产业中起着非常重要的作用，它提供了使用当前涡轮机中非常动态灵活的控制系统所必不可少的高分辨率反馈。选择合适的编码器将能够极大地增强系统以最佳功率输出运行的能力，并使投资的回报最大化。
美国Lawrence Berkeley国家实验室的数据表明，在2008年，美国风能产量激增了51%，新增容量达8545MW，新增投资超过160亿美元。新建离网型涡轮机7800台、并网型涡轮机1292台。每台涡轮机的平均产能大约是1.7MW。风能产能比2007年增加了约46%。
风力涡轮机的剖面图展示了一种常用的控制系统，如图1所示。这类系统通常使用5个编码器，它提供反馈，以维持发电机在不同的风力条件和不同的负载需求下的性能。
图1 风力涡轮机控制系统中使用了多达5个编码器
● 随着风力条件的变化，叶片距控制系统维持着转子的速度。
● 偏航控制系统（方位）根据风向来控制整个发电机的旋转。
● 发电机速度是通过跟踪发电机轴的每分钟转速（rpm）来进行监控的。
风力涡轮机中常用的3种类型的旋转编码器是增量型、绝对型和混合型，其中每种技术都各有利弊。下面的概述将帮助引导设计工程师找出对应系统各个部分的最佳编码器。
增量型编码器
增量型旋转编码器是单匝设备，在轴的每一周旋转中都产生固定数量的脉冲。这种反馈类型的一个优点是它能够实时响应轴转速的变化，因此非常适用于跟踪涡轮发电机的每分钟转速（rpm）。此外，它还具有应用范围广以及成本比其他类型更低的优点。
增量型编码器可以用于控制叶片距和偏航角的变化，但是它无法保存位置数据。验证和跟踪叶片及发动机的相对位置将需要在控制系统设计中增加来自接近开关或霍尔效应传感器的额外输入当作参考点。
绝对型编码器
绝对型旋转编码器有单匝或多匝型，它是通过读取光具盘或某种类型的磁力接收系统上的多个记录来分辨轴向位置的。这种类型具有保存位置数据的能力，哪怕是控制系统断电也可以。多匝型包括用于记录轴转动次数（精确到千位）的齿轮级，不再需要使用电池来保存位置信息。位置数据是直接读取的，而不是以增量方式读取，并且在上电后很快即可使用。
绝对型编码器通过SSI、Profibus、DeviceNet或CANopen串行接口来提供位置反馈数据。这些接口可能会限制反馈位置数据的传送速率，所以它不是实时的。因此，绝对型编码器不能够用于跟踪发电机速率。不过，这并不影响它被用于跟踪变化较缓慢的发电机位置，也不影响被用于某些叶片距控制系统中。
混合型旋转编码器
混合型编码器有单匝或多匝型，它本身提供了增量型和绝对型编码器技术的优点。这为用户提供了替换2个编码器的潜在可能性，可降低成本和占用空间。这种类型的编码器提供脉冲或正弦/余弦波形，非常适用于叶片距控制系统，因为它提供了转速高达6000rpm的电机所需要的实时反馈，同时还能够在系统断电时保存绝对的单匝或多匝位置数据。目前，有许多电机驱动已经增加了标准输入，以便接收正弦/余弦波形反馈。有时，客户可以获得更高的电机效率。 纵览
并不是所有的旋转编码器都同等重要，当今的增量型、绝对型和混合型编码器设计中所用到的光学和磁学技术在不断改进以增加分辨率，温度范围和耐用性。光学编码器设计利用Opto-ASIC等新技术进行了改进，第二或第三代设计提供了更高的分辨能力，更快的工作转速，并改善了工作温度范围。此外，Opto-ASIC通过电场可调分辨率、输出驱动类型（TTL或HTL）和标记物宽度，使得用户能够对编码器进行编程。
金属光具盘是另一个经过改进的重要编码器部件，它使得编码器能够工作在恶劣的环境中，并提供了更高的分辨率。过去，增量型和绝对型编码器需要使用玻璃光具盘来实现更高的分辨率，但它降低了对震动和振动的抵抗能力。新出现的金属光具盘将分辨率提升了6倍，无须使用电子乘法器，
并具有更好的震动和振动
性能。
许多新型编码器设计都减小了外壳的尺寸。但是，如果设计和建造不能达到高质量标准，那么所有这些技术改进和体积缩减都没什么价值。例如，轴承的质量，装配方式以及轴承之间的距离都将极大影响编码器的寿命
编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据编制、转换为可用以通讯、传输和存储之形式的设备。编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。
纠错编辑摘要
目录
1 转变简介
2 绝对式编码器
3 多圈绝对式编码器
4 工作原理
5 相关词条
编码器
编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据编制、转换为可用以通讯、传输和存储之形式的设备。编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1还是“0。
编码器 - 转变简介
从接近开关、光电开关到旋转编码器
编码器
工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。可是，随着工控的不断发展，又有了新的要求，这样，选用旋转编码器的应用优点就突出了。
信息化：除了定位，控制室还可知道其具体位置；
柔性化：定位可以在控制室柔性调整；
现场安装的方便和安全、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。
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。
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。如上所述优点，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。
编码器 - 绝对式编码器
从增量式编码器到绝对式编码器
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。绝对型旋转光电编码器，因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆，已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。
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。
由于绝对编码器在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。绝对型编码器因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和降低可靠性，因此，绝对编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出，德国生产的绝对型编码器串行输出最常用的是SSI（同步串行输出）。
编码器 - 多圈绝对式编码器
从单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器
编码器
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。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。多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中。
绝对型旋转编码器的机械安装使用
绝对型旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装置安装等多种形式。
高速端安装：安装于动力马达转轴端（或齿轮连接），此方法优点是分辨率高，由于多圈编码器有4096动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向高精度控制定位，例如轧钢的辊缝控制。另外编码器直接安装于高速端，马达抖动须较小，不然易损坏编码器。
编码器
低速端安装：安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端，此方法已无齿轮来回程间隙，测量较直接，精度较高，此方法一般测量长距离定位，例如各种提升设备，送料小车定位等。
辅助机械安装：常用的有齿轮齿条、链条皮带、摩擦转轮、收绳机械等。
光学编码器功能特点
采用反射式感应技术
表面贴装无引脚封装
提供两通道模拟信号输出
计数频率：20KHz
采单一5.0V电源运作
工作温度：-10到70oC
编码分辨率：180LPI
符合RoHS环保标准要求
编码器 - 工作原理
绝对脉冲编码器：APC
增量脉冲编码器：SPC
编码器
两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件，旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。
增量型编码器与绝对型编码器的区分：编码器如以信号原理来分，有增量型编码器,绝对型编码器。
增量型编码器(旋转型)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，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5~10000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，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。