編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導電區或絕緣區來表示代碼的狀態是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區和不透光區來表示代碼的狀態是”1”還是“0”，通過”1”和“0”的二進制編碼來將采集來的物理信號轉換為機器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。

　　編碼器工作原理：

　　利用電磁感應原理將兩個平面型繞組之間的相對位移轉換成電信號的測量元件，用于長度測量工具。感應同步器（俗稱編碼器、光柵尺）分為直線式和旋轉式兩類。前者由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量；后者由定子和轉子組成，用于角位移測量。

　　1957年美國的R.W.特利普等在美國取得感應同步器的專利，原名是位置測量變壓器，感應同步器是它的商品名稱，初期用于雷達天線的定位和自動跟蹤、導彈的導向等。在機械制造中，感應同步器常用于數字控制機床、加工中心等的定位反饋系統中和坐標測量機、鏜床等的測量數字顯示系統中。它對環境條件要求較低，能在有少量粉塵、油霧的環境下正常工作。定尺上的連續繞組的周期為2毫米。滑尺上有兩個繞組，其周期與定尺上的相同，但相互錯開1/4周期（電相位差90°）。

　　感應同步器的工作方式有鑒相型和鑒幅型的兩種。前者是把兩個相位差90°、頻率和幅值相同的交流電壓U1和U2分別輸入滑尺上的兩個繞組，按照電磁感應原理，定尺上的繞組會產生感應電勢U。如滑尺相對定尺移動，則U的相位相應變化，經放大后與U1和U2比相、細分、計數，即可得出滑尺的位移量。在鑒幅型中，輸入滑尺繞組的是頻率、相位相同而幅值不同的交流電壓，根據輸入和輸出電壓的幅值變化，也可得出滑尺的位移量。由感應同步器和放大、整形、比相、細分、計數、顯示等電子部分組成的系統稱為感應同步器測量系統。它的測長精確度可達3微米/1000毫米，測角精度可達1″/360°。

　　隨著工業自動化的高速發展，編碼器在工控領域的應用更加廣泛。

　　一、問：增量旋轉編碼器選型有哪些留意事項？

　　應留意三方面的參數：

　　1．械安裝尺寸，包括定位止口，軸徑，安裝孔位；電纜出線方式；安裝空間體積；工作環境防護等級是否滿足要求。

　　2．分辨率，即編碼器工作時每圈輸出的脈沖數，是否滿足設計使用精度要求。

　　3．電氣接口，編碼器輸出方式常見有推拉輸出（F型HTL格式），電壓輸出（E），集電極開路（C，常見C為NPN型管輸出，C2為PNP型管輸出），長線驅動器輸出。其輸出方式應和其控制系統的接口電路相匹配。

　　二、問：請教如何使用增量編碼器？

　　1．增量型旋轉編碼器有分辨率的差異，使用每圈產生的脈沖數來計量，數目從6到5400或更高，脈沖數越多，分辨率越高；這是選型的重要依據之一。

　　2．增量型編碼器通常有三路信號輸出（差分有六路信號）：A，B和Z，一般采用TTL電平，A脈沖在前，B脈沖在后，A，B脈沖相差90度，每圈發出一個Z脈沖，可作為參考機械零位。一般利用A超前B或B超前A進行判向，我公司增量型編碼器定義為軸端看編碼器順時針旋轉為正轉，A超前B為90°，反之逆時針旋轉為反轉B超前A為90°。也有不相同的，要看產品說明。

　　3．使用plc采集數據，可選用高速計數模塊；使用工控機采集數據，可選用高速計數板卡；使用單片機采集數據，建議選用帶光電耦合器的輸進端口。

　　4．建議B脈沖做順向（前向）脈沖，A脈沖做逆向（后向）脈沖，Z原點零位脈沖。

　　5．在電子裝置中設立計數棧。

　　三、關于戶外使用或惡劣環境下使用

　　設備在野外使用，現場環境臟，而且怕撞壞編碼器。

　　有鋁合金（特殊要求可做不銹鋼材質）密封保護外殼，雙重軸承重載型編碼器，放在戶外不怕臟，鋼廠、重型設備里都可以用。

　　不過假如編碼器安裝部分有空間，建議在編碼器外部再加裝一防護殼，以加強對其進行保護，必竟編碼器屬精密元件，一臺編碼器和一個防護殼的價值比較還是有一定差距的。

　　四、從接近開關、光電開關到旋轉編碼器：

　　產業控制中的定位，接近開關、光電開關的應用已經相當成熟了，而且很好用。可是，隨著工控的不斷發展，又有了新的要求，這樣，選用旋轉編碼器的應用優點就突出了：

　　信息化：除了定位，控制室還可知道其具體位置；

　　柔性化：定位可以在控制室柔性調整；

　　現場安裝的方便和安全、長壽：拳頭大小的一個旋轉編碼器，可以丈量從幾個μ到幾十、幾百米的間隔，n個工位，只要解決一個旋轉編碼器的安全安裝題目，可以避免諸多接近開關、光電開關在現場機械安裝麻煩，輕易被撞壞和遭高溫、水氣困擾等題目。由于是光電碼盤，無機械損耗，只要安裝位置正確，其使用壽命往往很長。

　　多功能化：除了定位，還可以遠傳當前位置，換算運動速度，對于變頻器，步進電機等的應用尤為重要。

　　經濟化：對于多個控制工位，只需一個旋轉編碼器的本錢，以及更主要的安裝、維護、損耗本錢降低，使用壽命增長，其經濟化逐漸突顯出來。

　　如上所述優點，旋轉編碼器已經越來越廣泛地被應用于各種工控場合。

　　五、關于電源供給及編碼器和PLC連接：

　　一般編碼器的工作電源有三種：5Vdc、5-13Vdc或11-26Vdc。假如你買的編碼器用的是11-26Vdc的，就可以用PLC的24V電源，需留意的是：

　　1．編碼器的耗電流，在PLC的電源功率范圍內。

　　2．編碼器如是并行輸出，連接PLC的I/O點，需了解編碼器的信號電平是推拉式（或稱推挽式）輸出還是集電極開路輸出，如是集電極開路輸出的，有N型和P型兩種，需與PLC的I/O極性相同。如是推拉式輸出則連接沒有什么題目。 3．編碼器如是驅動器輸出，一般信號電平是5V的，連接的時候要小心，不要讓24V的電源電平串進5V的信號接線中往而損壞編碼器的信號端。（我公司也可以做寬電壓驅動器輸出（5-30Vdc），有此要求定貨時要注明）

　　六、在很多的情況之下是編碼器并沒有壞，而只是干擾的原因，造成波型不好，導致計數不準。

　　編碼器屬精密元件，這主要由于編碼器四周干擾比較嚴重，比如：是否有大型電動機、電焊機頻繁起動造成干擾，是否和動力線同一管道傳輸等。

　　選擇什么樣的輸出對抗干擾也很重要，一般輸出帶反向信號的抗干擾要好一些，即A+~A-，B+~B-，Z+~Z-，其特征是加上電源8根線，而不是5根線（共零）。帶反向信號的在電纜中的傳輸是對稱的，受干擾小，在接受設備中也可以再增加判定（例如接受設備的信號利用A、B信號90°相位差，讀到電平10、11、01、00四種狀態時，計為一有效脈沖，此方案可有效進步系統抗干擾性能（計數正確））。

　　就是編碼器也有好壞，其碼盤電子芯片內部電路信號輸出的差別很大，要不然怎么一個1000線的增量型編碼器會從300多元到3000多元差別那么大呢？

　　①排除（搬離、封閉、隔離）干擾源，

　　②判定是否為機械間隙累計誤差，

　　③判定是否為控制系統和編碼器的電路接口不匹配（編碼器選型錯誤）；①②③方法償試后故障現象排除，則可初步判定，若未排除須進一步分析。

　　判定是否為編碼器自身故障的簡單方法是排除法。現在我公司編碼器已大規模生產，技術生產已成熟運用，產品故障率控制在千分之幾。排除法的具體方法是：用一臺相同型號的編碼器替換上往，假如故障現象相同，可基本排除是編碼器故障題目，由于兩臺編碼器同時有故障的小概率事件發生可能很小，可以看作為0。假如換一臺相同型號編碼器上往，故障現象立即排除，則可基本判定是編碼器故障。

　　七、作甚長線驅動？普通型編碼器能否遠間隔傳送？

　　答：長線驅動也稱差分長線驅動，5V，TTL的正負波形對稱形式，由于其正負電流方向相反，對外電磁場抵消，故抗干擾能力較強。普通型編碼器一般傳輸間隔是100米，假如是24VHTL型且有對稱負信號的，傳輸間隔300-400米。

　　八、問：能否簡單先容旋轉編碼器檢測直線位移的方法？

　　1．使用“彈性連軸器”將旋轉編碼器與驅動直線位移的動力裝置的主軸直接聯軸。

　　2．使用小型齒輪（直齒，傘齒或蝸輪蝸桿）箱與動力裝置聯軸。

　　3．使用在直齒條上轉動的齒輪來傳遞直線位移信息。

　　4．在傳動鏈條的鏈輪上獲得直線位移信息。

　　5．在同步帶輪的同步帶上獲得直線位移信息。

　　6．使用安裝有磁性滾輪的旋轉編碼器在直線位移的平整鋼鐵材料表面獲得位移信息（避免滑差）。

　　7．使用類似“鋼皮尺”的“可回縮鋼絲總成”連接旋轉編碼器來探測直線位移信息（數據處理中須克服疊層卷繞誤差）。

　　8．類似7，使用帶小型力矩電機的“可回縮鋼絲總成”連接旋轉編碼器來探測直線位移信息（目前德國有類似產品，結構復雜，幾乎無疊層卷繞誤差）。

　　九、增量光柵Z信號可否作零點？圓光柵編碼器如何選用？

　　無論直線光柵還是軸編碼器其Z信號的均可達到同AB信號相同的精確度，只不過軸編碼器是一圈一個，而直線光柵是每隔一定間隔一個，用這個信號可達到很高的重復精度。可先用普通的接近開關初定位，然后找最為接近的Z信號（每次同方向找），裝的時候不要看忘了將其相位調的和光柵相位一致，否則不準。

　　根據你的細分精度要求和分辯率要求選用。精度高自然要選用每周線紋高的，精度不高，就沒必要選用高線紋數的圓光柵編碼器了。

　　十、增量型編碼器和盡對型編碼器有何區別？做一個伺服系統時怎么選擇呢？

　　常用的為增量型編碼器，假如對位置、零位有嚴格要求用盡對型編碼器。伺服系統要具體分析，看應用場合。

　　測速度用常用增量型編碼器，可無窮累加丈量；測位置用盡對型編碼器，位置唯一性（單圈或多圈），終極看應用場合，看要實現的目的和要求。

　　十一、盡對型旋轉編碼器選型留意事項，旋轉編碼器和接近開關、光電開關上風比較：

　　盡對編碼器單圈從經濟型8位到高精度17位，價格可以從幾百元到1萬多不等；

　　盡對編碼器多圈大部分用25位，輸出有SSI，總線ProfibusDP，CAN L2，Interbus，DeviceNet，價格也可以從3千多到1萬多不等。

　　旋轉光電編碼器丈量角度和長度，已是很成熟的技術了，現今再用上高精度大量程的盡對型編碼器，大大進步了丈量精度和可靠性，而且經濟實用。就目前來看，其仍然是丈量長度的最多選擇。

　　十二、從增量式編碼器到盡對式編碼器

　　旋轉增量式編碼器以轉動時輸出脈沖，通過計數設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計數設備記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產結果出現后才能知道。

　　解決的方法是增加參考點，編碼器每經過參考點，將參考位置修正進計數設備的記憶位置。在參考點以前，是不能保證位置的正確性的。為此，在工控中就有每次操縱先找參考點，開機找零等方法。

　　比如，打印機掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理，每次開機，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點，然后才工作。

　　這樣的方法對有些工控項目比較麻煩，甚至不答應開機找零（開機后就要知道正確位置），于是就有了盡對編碼器的出現。

　　盡對編碼器光碼盤上有很多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線。。。。。。編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位盡對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

　　盡對編碼器由機械位置決定的每個位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數，什么時候需要知道位置，什么時候就往讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數據的可靠性大大進步了。

　　由于盡對編碼器在位置定位方面明顯地優于增量式編碼器，已經越來越多地應用于工控定位中。

　　測速度需要可以無窮累加丈量，目前增量型編碼器在測速應用方面仍處于無可取代的主流位置。

　　十三、能不能告訴我選用盡對型編碼器應留意哪些事項？

　　機械部分：

　　1.測長度還是測角度，測長度如何通過機械方式轉換（在上面有一些先容，如不清楚可來電討論）。測角度是360度內（單圈），還是可能過360度（多圈）。生產過程是一個方向旋轉循環工作，還是往返方向循環工作。

　　2.軸連接安裝形式，有軸型通過軟性聯軸器連接，還是軸套型連接。

　　3.使用環境：粉塵，水氣，震動，撞擊？

　　電氣部分：

　　1.連接的輸出接收部分是什么？

　　2.信號形式？

　　3.分辨率要求？

　　4.控制要求？

　　十四、從單圈盡對式編碼器到多圈盡對式編碼器

　　旋轉單圈盡對式編碼器，以轉動中丈量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當轉動超過360度時，編碼又回到原點，這樣就不符合盡對編碼唯一的原則，這樣的編碼器只能用于旋轉范圍360度以內的丈量，稱為單圈盡對式編碼器。 假如要丈量旋轉超過360度范圍，就要用到多圈盡對式編碼器。

　　編碼器生產廠家運用鐘表齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎上再增加圈數的編碼，以擴大編碼器的丈量范圍，這樣的盡對編碼器就稱為多圈式盡對編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復，而無需記憶。

　　多圈編碼器另一個優點是由于丈量范圍大，實際使用往往富裕較多，這樣在安裝時不必要費勁找零點，將某一中間位置作為起始點就可以了，而大大簡化了安裝調試難度。

　　多圈式盡對編碼器在長度定位方面的上風明顯，已經越來越多地應用于工控定位中。

　　十五、盡對型編碼器的串行和并行輸出的具體一點的信息

　　并行輸出：

　　盡對型編碼器輸出的是多位數碼（格雷碼或純二進制碼），并行輸出就是在接口上有多點高低電平輸出，以代表數碼的1或0，對于位數不高的盡對編碼器，一般就直接以此形式輸出數碼，可直接進進PLC或上位機的I/O接口，輸出即時，連接簡單。但是并行輸出有如下題目：

　　1.必須是格雷碼，由于如是純二進制碼，在數據刷新時可能有多位變化，讀數會在短時間里造成錯碼。

　　2.所有接口必須確保連接好，由于如有個別連接不良點，該點電位始終是0，造成錯碼而無法判定。

　　3.傳輸間隔不能遠，一般在一兩米，對于復雜環境，最好有隔離。

　　4.對于位數較多，要很多芯電纜，并要確保連接優良，由此帶來工程難度，同樣，對于編碼器，要同時有很多節點輸出，增加編碼器的故障損壞率。

　　并行：時間上，數據同時發出；空間上，每個位數的數據各占用一根線纜。

　　增量型編碼器輸出的通常是并行輸出。

　　串行輸出：

　　串行輸出就是通過約定，在時間上有先后的數據輸出，這種約定稱為通訊規約，其連接的物理形式有rs232、RS422（TTL）、RS485等。

　　串行輸出連接線少，傳輸間隔遠，對于編碼器的保護和可靠性就大大進步了，一般高位數的盡對編碼器都是用串行輸出的。

　　由于盡對型編碼器的部分著名廠家在德國，所以串行輸出大部分是與德國的西門子配套的，如SSI同步串行輸出，總線型是PROFIBUS-DP的輸出等。

　　串行輸出編碼器連接德國西門子的設備是比較輕易的，但是連接非德國系的設備，接口就是題目了，我公司提供各種接口輸出的儀表，可以解決這樣的題目。

　　串行：時間上，數據按照約定，有先后；空間上，所有位數的數據都在一組線纜上（先后）發出。

　　十六、串行編碼器應該都是盡對式的？

　　串行是指按時間約定，串行輸出數字編碼信號，基本是盡對的，但也有一些增量編碼器，通過內置電池記憶原點，其也可以通過串行輸出位置值，如電池線不聯，還是增量編碼器，此也稱為偽盡對值編碼器，在一些日本伺服系統中較多見。其本質實在還是增量編碼器。

　　十七、問：為什么叫“盡對型編碼器”？

　　“盡對型編碼器”相對于“增量型編碼器”而言。

　　“盡對型編碼器”使用某種方式表示并記憶物體的盡對位置，角度和圈數。即一旦位置，角度和圈數固定，什么時候編碼器的示值都唯一固定，包括停電后投電。“增量型編碼器”做不到這一點。一般“增量型編碼器”輸出兩個A、B脈沖信號，和一個Z（L）零位信號，A、B脈沖互差90度相位角。通過脈沖計數可以知道位置，角度和圈數增量，通過A，B脈沖信號超前或滯后可以知道方向，停電后，必須從約定的基準重新開始計數。“增量型編碼器”表示位置，角度和圈數需要做后處理，重新投電要做“復零”操縱，所以，“增量型編碼器”比“盡對型編碼器”在價格上便宜很多。

　　十八、問：光電編碼器、光學電子尺和靜磁柵盡對編碼器的優缺點？

　　光電編碼器：

　　1．優點：體積小，精密，本身分辨度可以很高（目前我公司通過細分技術在直徑φ66的編碼器上可達到54000cpr），無接觸無磨損；同一品種既可檢測角度位移，又可在機械轉換裝置幫助下檢測直線位移；多圈光電盡對編碼器可以檢測相當長量程的直線位移（如25位多圈）。壽命長，安裝隨意，接口形式豐富，價格公道。成熟技術，多年前已在國內外得到廣泛應用。

　　2．缺點：精密但對戶外及惡劣環境下使用提出較高的保護要求；量測直線位移需依靠機械裝置轉換，需消除機械間隙帶來的誤差；檢測軌道運行物體難以克服滑差。

　　光學電子尺：

　　1．優點：精密，本身分辨度較高（可達到0.005mm）；體積適中，直接丈量直線位移；無接觸無磨損，丈量間隙寬泛；價格適中，接口形式豐富，已在國內外金屬切削機械行業得到較多應用（如線切割、電火花等）。

　　2．缺點：丈量直線和角度要使用不同品種；量程受限制（量程超過4m，生產制造困難價格昂貴），不適于在大量程惡劣環境處實施位移檢測。

　　靜磁柵盡對編碼器：

　　1．優點：體積適中，直接丈量直線位移，盡對數字編碼，理論量程沒有限制；無接觸無磨損，抗惡劣環境，可水下1000米使用；接口形式豐富，量測方式多樣；價格尚能接受。

　　2．缺點：分辨度1mm不高；丈量直線和角度要使用不同品種；不適于在精小處實施位移檢測（大于260毫米）。

　　十九、例題：一個圓盤，分50個點，要實現定位控制，轉速很慢，是要用到盡對型編碼器嗎？怎么找原點呢？50個位置定位是360度均勻等分嗎？

　　盡對編碼器的編碼都是2的冪次方，沒有360度均勻50等分的，要近似，看精度要求有多高，選多高線數的編碼器，假如精度要求不是太高的話，用8位256線的就可以了。編碼器的每個位置都有唯一編碼，編碼為零的就可以作為零點，也可以任意位置定義為零，其他位置與其比較計算。

　　假如可以用參考點的話，也可以用增量式的，因速度慢，應該選3000線或以上的，每圈一個零位。

　　二十、簡單先容：RS-232、RS-422與RS-485標準及應用？

　　RS-232、RS-422與RS-485都是串行數據接口標準，最初都是由電子產業協會（EIA）制訂并發布的。

　　目前RS-232是PC機與通訊產業中應用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊間隔的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。

　　RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數據信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。

　　通常情況下，發送驅動器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個邏輯狀態，負電平在-2～6V，是另一個邏輯狀態。另有一個信號地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的。“使能”端是用于控制發送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發送驅動器處于高阻狀態，稱作“第三態”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態。

　　由于RS-485是從RS-422基礎上發展而來的，所以RS-485很多電氣規定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現真正的多點雙向通訊。

　　RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸進阻抗為12kRS-422是4k；由于RS-485滿足所有RS-422的規范，所以RS-485的驅動器可以用在RS-422網絡中應用。

　　審核編輯：黃飛