编码器单片机一文搞定编码器,这些知识很实用,你可能不知道!|设计与开发|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

一文搞定编码器,这些知识很实用,你可能不知道!

编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺．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，一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”，通过"1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。

编码器工作原理：

利用电磁感应原理将两个平面型绕组之间的相对位移转换成电信号的测量元件，用于长度测量工具。感应同步器（俗称编码器、光栅尺）分为直线式和旋转式两类。前者由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；后者由定子和转子组成，用于角位移测量。

1957年美国的R.W.特利普等在美国取得感应同步器的专利，原名是位置测量变压器，感应同步器是它的商品名称，初期用于雷达天线的定位和自动跟踪、导弹的导向等。在机械制造中，感应同步器常用于数字控制机床、加工中心等的定位反馈系统中和坐标测量机、镗床等的测量数字显示系统中。它对环境条件要求较低，能在有少量粉尘、油雾的环境下正常工作。定尺上的连续绕组的周期为2毫米。滑尺上有两个绕组，其周期与定尺上的相同，但相互错开1/4周期（电相位差90°）。

感应同步器的工作方式有鉴相型和鉴幅型的两种。前者是把两个相位差90°、频率和幅值相同的交流电压U1和U2分别输入滑尺上的两个绕组，按照电磁感应原理，定尺上的绕组会产生感应电势U。如滑尺相对定尺移动，则U的相位相应变化，经放大后与U1和U2比相、细分、计数，即可得出滑尺的位移量。在鉴幅型中，输入滑尺绕组的是频率、相位相同而幅值不同的交流电压，根据输入和输出电压的幅值变化，也可得出滑尺的位移量。由感应同步器和放大、整形、比相、细分、计数、显示等电子部分组成的系统称为感应同步器测量系统。它的测长精确度可达3微米/1000毫米，测角精度可达1″/360°。

欧姆龙旋转编码器

随着工业自动化的高速发展，编码器在工控领域的应用更加广泛。

一、问：增量旋转编码器选型有哪些留意事项？

应留意三方面的参数：

1．械安装尺寸，包括定位止口，轴径，安装孔位；电缆出线方式；安装空间体积；工作环境防护等级是否满足要求。

2．分辨率，即编码器工作时每圈输出的脉冲数，是否满足设计使用精度要求。

3．电气接口，编码器输出方式常见有推拉输出（F型HTL格式），电压输出（E），集电极开路（C，常见C为NPN型管输出，C2为PNP型管输出），长线驱动器输出。其输出方式应和其控制系统的接口电路相匹配。

二、问：请教如何使用增量编码器？

1．增量型旋转编码器有分辨率的差异，使用每圈产生的脉冲数来计量，数目从6到5400或更高，脉冲数越多，分辨率越高；这是选型的重要依据之一。

2．增量型编码器通常有三路信号输出（差分有六路信号）：A,B和Z，一般采用TTL电平，A脉冲在前，B脉冲在后，A,B脉冲相差90度，每圈发出一个Z脉冲，可作为参考机械零位。一般利用A超前B或B超前A进行判向，我公司增量型编码器定义为轴端看编码器顺时针旋转为正转，A超前B为90°，反之逆时针旋转为反转B超前A为90°。也有不相同的，要看产品说明。

3．使用plc采集数据，可选用高速计数模块；使用工控机采集数据，可选用高速计数板卡；使用单片机采集数据，建议选用带光电耦合器的输进端口。

4．建议B脉冲做顺向（前向）脉冲，A脉冲做逆向（后向）脉冲，Z原点零位脉冲。

5．在电子装置中设立计数栈。

三、关于户外使用或恶劣环境下使用

设备在野外使用，现场环境脏，而且怕撞坏编码器。

有铝合金（特殊要求可做不锈钢材质）密封保护外壳，双重轴承重载型编码器，放在户外不怕脏，钢厂、重型设备里都可以用。

不过假如编码器安装部分有空间，建议在编码器外部再加装一防护壳，以加强对其进行保护，必竟编码器属精密元件，一台编码器和一个防护壳的价值比较还是有一定差距的。

四、从接近开关、光电开关到旋转编码器：

产业控制中的定位，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，可以丈量从几个μ到几十、几百米的间隔，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装题目，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，轻易被撞坏和遭高温、水气困扰等题目。由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置正确，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本钱，以及更主要的安装、维护、损耗本钱降低，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。

五、关于电源供给及编码器和PLC连接：

一般编码器的工作电源有三种：5Vdc、5-13Vdc或11-26Vdc。假如你买的编码器用的是11-26Vdc的，就可以用PLC的24V电源，需留意的是：

1．编码器的耗电流，在PLC的电源功率范围内。

2．编码器如是并行输出，连接PLC的I/O点，需了解编码器的信号电平是推拉式（或称推挽式）输出还是集电极开路输出，如是集电极开路输出的，有N型和P型两种，需与PLC的I/O极性相同。如是推拉式输出则连接没有什么题目。

3．编码器如是驱动器输出，一般信号电平是5V的，连接的时候要小心，不要让24V的电源电平串进5V的信号接线中往而损坏编码器的信号端。（我公司也可以做宽电压驱动器输出（5-30Vdc），有此要求定货时要注明）

六、在很多的情况之下是编码器并没有坏，而只是干扰的原因，造成波型不好，导致计数不准。请教如何进行判定？谢谢！

编码器属精密元件，这主要由于编码器四周干扰比较严重，比如：是否有大型电动机、电焊机频繁起动造成干扰，是否和动力线同一管道传输等。

选择什么样的输出对抗干扰也很重要，一般输出带反向信号的抗干扰要好一些，即A+~A-,B+~B-,Z+~Z-，其特征是加上电源8根线，而不是5根线(共零)。带反向信号的在电缆中的传输是对称的，受干扰小，在接受设备中也可以再增加判定（例如接受设备的信号利用A、B信号90°相位差，读到电平10、11、01、00四种状态时，计为一有效脉冲，此方案可有效进步系统抗干扰性能（计数正确））。

就是编码器也有好坏，其码盘\电子芯片\内部电路\信号输出的差别很大，要不然怎么一个1000线的增量型编码器会从300多元到3000多元差别那么大呢?

①排除(搬离、封闭、隔离)干扰源，

②判定是否为机械间隙累计误差，

③判定是否为控制系统和编码器的电路接口不匹配（编码器选型错误）；①②③方法偿试后故障现象排除，则可初步判定，若未排除须进一步分析。

判定是否为编码器自身故障的简单方法是排除法。现在我公司编码器已大规模生产，技术生产已成熟运用，产品故障率控制在千分之几。排除法的具体方法是：用一台相同型号的编码器替换上往，假如故障现象相同，可基本排除是编码器故障题目，由于两台编码器同时有故障的小概率事件发生可能很小，可以看作为0。假如换一台相同型号编码器上往，故障现象立即排除，则可基本判定是编码器故障。

七、作甚长线驱动？普通型编码器能否远间隔传送？

答：长线驱动也称差分长线驱动，5V，TTL的正负波形对称形式，由于其正负电流方向相反，对外电磁场抵消，故抗干扰能力较强。普通型编码器一般传输间隔是100米，假如是24VHTL型且有对称负信号的，传输间隔300-400米。

八、问：能否简单先容旋转编码器检测直线位移的方法？

1．使用“弹性连轴器”将旋转编码器与驱动直线位移的动力装置的主轴直接联轴。

2．使用小型齿轮（直齿，伞齿或蜗轮蜗杆）箱与动力装置联轴。

3．使用在直齿条上转动的齿轮来传递直线位移信息。

4．在传动链条的链轮上获得直线位移信息。

5．在同步带轮的同步带上获得直线位移信息。

6．使用安装有磁性滚轮的旋转编码器在直线位移的平整钢铁材料表面获得位移信息（避免滑差）。

7．使用类似“钢皮尺”的“可回缩钢丝总成”连接旋转编码器来探测直线位移信息（数据处理中须克服叠层卷绕误差）。

8．类似7，使用带小型力矩电机的“可回缩钢丝总成”连接旋转编码器来探测直线位移信息（目前德国有类似产品，结构复杂，几乎无叠层卷绕误差）。

九、增量光栅Z信号可否作零点？圆光栅编码器如何选用？

无论直线光栅还是轴编码器其Z信号的均可达到同A\B信号相同的精确度，只不过轴编码器是一圈一个，而直线光栅是每隔一定间隔一个，用这个信号可达到很高的重复精度。可先用普通的接近开关初定位，然后找最为接近的Z信号(每次同方向找)，装的时候不要看忘了将其相位调的和光栅相位一致，否则不准。

根据你的细分精度要求和分辩率要求选用。精度高自然要选用每周线纹高的，精度不高，就没必要选用高线纹数的圆光栅编码器了。

十、增量型编码器和尽对型编码器有何区别？做一个伺服系统时怎么选择呢？

常用的为增量型编码器，假如对位置、零位有严格要求用尽对型编码器。伺服系统要具体分析，看应用场合。

测速度用常用增量型编码器，可无穷累加丈量；测位置用尽对型编码器，位置唯一性（单圈或多圈），终极看应用场合，看要实现的目的和要求。

十一、尽对型旋转编码器选型留意事项，旋转编码器和接近开关、光电开关上风比较：

尽对编码器单圈从经济型8位到高精度17位，价格可以从几百元到1万多不等；

尽对编码器多圈大部分用25位，输出有SSI，总线ProfibusDP,CAN L2,Interbus,DeviceNet,价格也可以从3千多到1万多不等。

旋转光电编码器丈量角度和长度，已是很成熟的技术了，现今再用上高精度大量程的尽对型编码器，大大进步了丈量精度和可靠性，而且经济实用。就目前来看，其仍然是丈量长度的最多选择。

十二、从增量式编码器到尽对式编码器

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，是不能保证位置的正确性的。为此，在工控中就有每次操纵先找参考点，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，甚至不答应开机找零（开机后就要知道正确位置），于是就有了尽对编码器的出现。

尽对编码器光码盘上有很多道刻线，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位尽对编码器。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。

尽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，什么时候就往读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大进步了。

由于尽对编码器在位置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。

测速度需要可以无穷累加丈量，目前增量型编码器在测速应用方面仍处于无可取代的主流位置。

十三、能不能告诉我选用尽对型编码器应留意哪些事项？

机械部分:

1.测长度还是测角度，测长度如何通过机械方式转换(在上面有一些先容，如不清楚可来电讨论)。测角度是360度内(单圈)，还是可能过360度(多圈)。生产过程是一个方向旋转循环工作，还是往返方向循环工作。

2.轴连接安装形式，有轴型通过软性联轴器连接，还是轴套型连接。

3.使用环境：粉尘,水气,震动,撞击?

电气部分：

1.连接的输出接收部分是什么?

2.信号形式?

3.分辨率要求?

4.控制要求?

十四、从单圈尽对式编码器到多圈尽对式编码器

旋转单圈尽对式编码器，以转动中丈量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合尽对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的丈量，称为单圈尽对式编码器。

假如要丈量旋转超过360度范围，就要用到多圈尽对式编码器。

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，以扩大编码器的丈量范围，这样的尽对编码器就称为多圈式尽对编码器，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丈量范围大，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。

多圈式尽对编码器在长度定位方面的上风明显，已经越来越多地应用于工控定位中。

十五、尽对型编码器的串行和并行输出的具体一点的信息，谢谢！

并行输出：

尽对型编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的尽对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进进PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。但是并行输出有如下题目：

1.必须是格雷码，由于如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。

2.所有接口必须确保连接好，由于如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判定。

3.传输间隔不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。

4.对于位数较多，要很多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有很多节点输出，增加编码器的故障损坏率。

并行：时间上，数据同时发出；空间上，每个位数的数据各占用一根线缆。

增量型编码器输出的通常是并行输出。

串行输出：

串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有rs232、RS422(TTL)、RS485等。

串行输出连接线少，传输间隔远，对于编码器的保护和可靠性就大大进步了，一般高位数的尽对编码器都是用串行输出的。

由于尽对型编码器的部分着名厂家在德国，所以串行输出大部分是与德国的西门子配套的，如SSI同步串行输出，总线型是PROFIBUS-DP的输出等。

串行输出编码器连接德国西门子的设备是比较轻易的，但是连接非德国系的设备，接口就是题目了，我公司提供各种接口输出的仪表，可以解决这样的题目。

串行：时间上，数据按照约定，有先后；空间上，所有位数的数据都在一组线缆上（先后）发出。

十六、串行编码器应该都是尽对式的?

串行是指按时间约定，串行输出数字编码信号，基本是尽对的，但也有一些增量编码器，通过内置电池记忆原点，其也可以通过串行输出位置值，如电池线不联，还是增量编码器，此也称为伪尽对值编码器，在一些日本伺服系统中较多见。其本质实在还是增量编码器。

十七、问：为什么叫“尽对型编码器”？

“尽对型编码器”相对于“增量型编码器”而言。

“尽对型编码器”使用某种方式表示并记忆物体的尽对位置，角度和圈数。即一旦位置，角度和圈数固定，什么时候编码器的示值都唯一固定，包括停电后投电。“增量型编码器”做不到这一点。一般“增量型编码器”输出两个A、B脉冲信号，和一个Z(L)零位信号，A、B脉冲互差90度相位角。通过脉冲计数可以知道位置，角度和圈数增量，通过A,B脉冲信号超前或滞后可以知道方向，停电后，必须从约定的基准重新开始计数。“增量型编码器”表示位置，角度和圈数需要做后处理，重新投电要做“复零”操纵，所以，“增量型编码器”比“尽对型编码器”在价格上便宜很多。

十八、问：光电编码器、光学电子尺和静磁栅尽对编码器的优缺点？

光电编码器：

1．优点：体积小，精密，本身分辨度可以很高(目前我公司通过细分技术在直径φ66的编码器上可达到54000cpr)，无接触无磨损；同一品种既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位移；多圈光电尽对编码器可以检测相当长量程的直线位移(如25位多圈)。寿命长，安装随意，接口形式丰富，价格公道。成熟技术，多年前已在国内外得到广泛应用。

2．缺点：精密但对户外及恶劣环境下使用提出较高的保护要求；量测直线位移需依靠机械装置转换，需消除机械间隙带来的误差；检测轨道运行物体难以克服滑差。

光学电子尺：

1．优点：精密，本身分辨度较高（可达到0.005mm）；体积适中，直接丈量直线位移；无接触无磨损，丈量间隙宽泛；价格适中，接口形式丰富，已在国内外金属切削机械行业得到较多应用（如线切割、电火花等）。

2．缺点：丈量直线和角度要使用不同品种；量程受限制（量程超过4m，生产制造困难价格昂贵），不适于在大量程恶劣环境处实施位移检测。

静磁栅尽对编码器：

1．优点：体积适中，直接丈量直线位移，尽对数字编码，理论量程没有限制；无接触无磨损，抗恶劣环境，可水下1000米使用；接口形式丰富，量测方式多样；价格尚能接受。

2．缺点：分辨度1mm不高；丈量直线和角度要使用不同品种；不适于在精小处实施位移检测（大于260毫米）。

十九、例题：一个圆盘，分50个点，要实现定位控制，转速很慢，是要用到尽对型编码器吗？怎么找原点呢？50个位置定位是360度均匀等分吗？

尽对编码器的编码都是2的幂次方，没有360度均匀50等分的，要近似，看精度要求有多高，选多高线数的编码器，假如精度要求不是太高的话，用8位256线的就可以了。编码器的每个位置都有唯一编码，编码为零的就可以作为零点，也可以任意位置定义为零，其他位置与其比较计算。

假如可以用参考点的话，也可以用增量式的，因速度慢，应该选3000线或以上的，每圈一个零位。

二十、简单先容：RS-232、RS-422与RS-485标准及应用？

RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子产业协会（EIA）制订并发布的。

目前RS-232是PC机与通讯产业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯间隔的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。

RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。

通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。

由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485很多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通讯。

RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输进阻抗为12kRS-422是4k；由于RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。

用PLC怎么实现编码器的定位功能详解

严格来讲，编码器只会告诉你改如何定位，要如何执行，是需要靠PLC之类控制器或者步进电机来实现定位的，编码器好比人的眼睛，知道电机轴或者负载处于当前某个位置，工业上用的一般是光电类型编码器，下边简单说明一下。

简单说下编码原理和位置测量

光电编码器是在一个很薄很轻的圆盘子上，通过紧密仪器来腐蚀雕刻了很多条细小的缝，相当于把一个360度，细分成很多等分，比如成1024组，这样每组之间的角度差是360/1024度=0.3515625度。

然后有个精密的发光源，安装在码盘的一面，码盘的另外一面，会有个接收器之类的，使用了光敏电阻这些元件加放大和整形电路组成，这样码盘转动时候，有缝隙的地方会透光过去。

接收器会瞬间收到光脉冲，经过电路处理后，输出一个电脉冲信号，这样码盘旋转了一周，会对应输出1024个脉冲，第一个脉冲位置如果是0，第二个脉冲位置就是0.3515625°，第三个脉冲位置是0.3515625°*2。

以此类推，这样只要有仪器能读到脉冲个数，就可以知道码盘对应在什么位置了，如果把编码器安装到电机的轴上，电机轴和码盘是刚性连接，两者的位置关系会一一对应，通过读编码器脉冲，就可以知道电机的轴位置。

而电机轴，比如会通过同步带，齿轮，链条等带动一些负载，比如控制丝杆，这样会有个所谓电子齿轮比的关系，电机转一圈，丝杆会前进多少毫米，这样读到了对应编码器上输出多少给脉冲，通过脉冲数就可以反推出当前丝杆的位置。

但是编码器是圆的，如果无限制旋转下去，角度会无穷大，所以设计了一种增量型的编码器，转一圈，会输出三组信号ABZ，其中AB是一样的脉冲。

比如上边说的一圈有1024个脉冲，AB相脉冲对应一圈内的圆周角度，而且两种脉冲是处于正交状态的，如果是正反转，通过判断AB相脉冲的上升沿和下降沿的先后顺序，就可以知道编码器当前是顺时针还是逆时针方向旋转的，

另外有个Z相脉冲，是因为圆周虽然会不停转下去，角度会无穷无尽，但是都是一周一周的重复而已，零相脉冲固定在圆周某个位置，编码器每转一圈，只输出一个零相脉冲。

这样如果以Z相脉冲为基准点，这样每次读到这个脉冲时候，系统就清零一次，就可以让角度最大值控制在360°以内，相当于一个零基准点了。

这样即使系统断掉了，重新上电，只要能找到这个基准点，就可以知道丝杆的初始位置在什么地方了。

以上这种定位叫增量坐标系，所以编码器就是增量型编码器，应用比较广泛，因为灵活而且价格便宜。如果只设备只需要转一圈的，也就是角度在360°内的，编码器可以细分精密一点，比如有13位，相当于2^13次方个脉冲一圈，对应着360°，这种脉冲数和角度一一对应，不怕系统断电需要重新调整零位，这种编码器叫单圈绝对值编码器。

如果负载需要转多圈的，但是这个圈数也不能非常多，比如5圈，相当于5*360°=1800°，这样脉冲和1800°一一对应，这些在一些高档的数控机床上应用比较多，可以知道丝杆或者一些旋转工作的当前精密位置，而且不用担心系统断电归零问题。