编码器原理与应用分析

赵映川

摘 要：编码器是将被测机械量（如角度、长度等）转化为计算机可用的数字量的重要工具。在机电及自动化系统中，编码器在自动控制及自动测量等领域得到了广泛的应用，其具有机构紧凑、重量轻、安装方便、易维护等特点，而且精度高、反应快、工作可靠。文章具体阐述了编码器的工作原理及应用现状，并展望了其未来发展趋势。

关键词：编码器；原理；应用

1 编码器原理概述

编码器是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用于通信、传输和存储的信号形式的设备。以其高精度、高分辨力、高可靠性被广泛应用于各种位移测量。按照编码器工作原理，可分为光电式、电磁式、电感式和电容式编码器[1]。

1.1 光电编码器

光电编码器是目前应用最多的一种。它是通过光电转换将机械量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由圆形码盘和光电检测装置组成。码盘上刻有环形透光和不透光的等间距狭缝，叫作码道。旋转轴与码盘同轴同速旋转，检测装置由发光二极管等电子元件组成，透过狭缝的脉冲信号经检测装置进行输出，当前旋转轴的角度信息可以通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数来反映[2]。

光电编码器原理如图1所示。

光电编码器的分类有两种，一种为增量式光电编码器，一种是绝对式光电编码器。

1.1.1 增量式光电编码器

增量式光电编码器是将一系列脉冲通过附加电路处理得到数字量的编码器。光电编码器的码盘一般多用玻璃材料制成，玻璃表面镀上一层不透光的金属薄膜，然后在薄膜上刻制码道，数量从几百条到几千条不等。这样整个码盘圆周被等分成n个透光的槽。

增量式光电编码器分别由码道输出A相、B相和Z相三组方波脉冲，这个过程利用了光电转换原理；A、B相用于判断码盘的旋转方向，其脉冲数相同、相位差90度，而Z相则用于基准点定位，码盘每一转发出一个脉冲[3]。增量式光电编码器的码盘和信号输出如图2所示。

1.1.2 绝对式光电编码器

绝对式编码器是直接输出数字量的编码器。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组成，码盘上的二进制数码的位数是其码道数，相邻两个码道之间的扇区数目是二倍关系，光源在码盘的一侧，光敏元件在码盘的另一侧；码盘不同位置的光敏元件根据是否收到光照转换出相应的电平信号，形成二进制数。结构示意如图3所示。

这种编码器的特点是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。一个编码器如果具有N位二进制分辨率，其码盘就一定要有N条碼道，码道数量和分辨率成正比。因此，绝对式编码器的精度取决于码道的位数。图3中（a）是编码器主要结构的图示，（b）是二进制码和格雷码码盘的图示。

由于输出的是二进制数字码，绝对式编码器可与计算机直接连接而不需要其他数字转换设备。

码盘上透光、不透光的线条图形是绝对式编码器与增量式编码器的不同之处。在相同的精度下，增量式编码器的码盘尺寸要比绝对式编码器的小。增量式编码器由于不能显示角度坐标的绝对位置，因此，每次启动都要归零。绝对式编码器可以直接读出角度坐标的绝对值，并且电源切除后信息不会丢失[4]。

1.2 电磁编码器

电磁编码器主要由磁阻传感器（霍尔原件）、充磁磁鼓（码盘）、信号处理电路组成。其工作原理是利用磁阻或霍尔元件检测角度和位移的变化。

因此，电磁编码器电路的输出信号和码盘的旋转是紧密相连的。通过测定输出信号的周期数或周期时间就可知道磁鼓的位置和旋转速度。电磁旋转编码器结构示意如图4所示。

电磁式编码器随着光电式编码器的发展而发展起来。光电式编码器容易受到潮湿气体和污染的影响。与之相比，电磁式编码器是一种以磁敏感元件为基础的检测装置，而且将多个元件精确地排列组合，构成具有新功能和多功能的器件，使其具有体积小、转速高、成本低、抗干扰、抗冲击、抗振动、不易受油污、水气等外界因素影响的特点。因此，在工业生产、自动化控制方面的应用不断扩大[5]。

1.3 电感式编码器

电感式编码器是利用电磁感应原理测量位移（线位移和角位移）的测量元件，把被测的物理量转换成线圈感应系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

电感式编码器由转子和定子两个码盘组成。码盘上敷有铜箔，用印刷、腐蚀等方法，在其盘面上刻制出平面形的绕组，绕组呈等间距扇形分布。转子绕组为连续的扇形分布；定子绕组为分段的扇形分布，每段结构相同，每个分段绕组分为两组，在相位上相差90度，又称为正弦绕组和余弦绕组。如果连续绕组上加有激励电信号时，正弦绕组与余弦绕组将产生感应电势，电势随转子的相对位置变化呈现正弦或余弦的信号变化，再将变化的信号检测出后进行处理，就可以测出轴转动的信息[6]。电感式编码器结构如图5所示。

电感式编码器的工作状态仅取决于磁通量的变化率。油污、粉尘、温度等外界环境对它的干扰很小，信号的测量精度和分辨率高。由于转子与定子间没有机械接触，因而使用寿命较长、抗震、抗冲击性能好。基于以上诸多优点，电感式编码器多用于精度要求高的回转工作台、惯性导航测试台、天文望远镜以及高精度的机床和电机设备[7]。

1.4 容栅式编码器

容栅式编码器是在变面积型电容传感器的基础上，采用光栅原理设计出来的测量装置。其原理是通过转子与定子之间的相对运动对电场进行调制，并且检测由此引起的耦合电容的变化来确定转轴的位置。

容栅式编码器由动栅和静栅两部分组成，都是采用精密印刷制成的电路板。动栅上印有发射极、接收极和屏蔽极，静栅上印有反射极。容栅工作时，加在发射极上的周期激励信号，经过发射极与反射极、反射极与接收极的两次极间耦合，在接收极上形成测量信号，测量信号经过电路运算，计算出动栅与静栅的相对位移[8]。图6是容栅编码器结构的图示。

2 编码器应用领域和现状

自动化系统中电机的转速、设备运行位置和行程的检测等都是编码器的实际应用。

目前编码器应用的领域主要有：（1）机器人领域。为了确保机器人的协调运动或行走，需要通过编码器对机器人的每个关节进行精准控制。（2）数控机床。数控机床在工作过程中需要利用编码器来完成对电机X和Y 轴坐标的控制，组合刀架的换刀、对刀。（3）工程机械领域。编码器广泛应用于重新车辆及混合动力汽车的转向助力系统和车辆速度监测器。（4）工业自动化控制生产线领域。为了确保工厂的自动化生产线的正常运行，需要精确的速度和方向信息。（5）风力发电领域。目前可再生资源发展最快的就是风电。编码器主要用于发电机的变桨和偏航系统的测速、角度位移，同时用于检测风速保证发电机的最大电力输出，这是编码器未来应用的巨大市场。（6）石油天然气行业。石油天然气行业是高危行业，需要较高可靠性、较好密封性的高标准编码器，主要用于钻台电机、钻台和污泥泵的测速，加油机上的编码器用于测流量、计量加油量。（7）电梯。电梯的速度调节和桥厢的位置控制都需要很精准的信号，编码器可以在电梯控制上提供可靠精准的位置信号和速度信号，完成电梯的正常运转。除了以上主要应用领域外，编码器还广泛应用于冶金、天文、印刷、造纸等传统领域，应用范围广泛，应用前景长远[9]。

3 编码器的发展趋势展望

随着现代技术的发展，编码器开始向小型化、智能化领域发展，并且测量更精确、适应性更强。首先，编码器体积越来越小。缩小编码器的发射元件、接受元件是为了编码器能在更小的位置發挥它的作用。目前同位数的编码器越来越小，许多新兴的编码方式的发明如矩阵式编码方式、伪随机码编码方式、游标式编码方式等正是为了适应自动化控制领域的智能化、集成化。这些新的编码方式缩小编码器体积的同时，还为提高编码器的智能化提供了基础。其次，编码器接口向智能化发展。差分电路、A/D转换器以及EPROM器件组成了编码器的接口电路，编码器的接口电路将正弦信号转换成参考脉冲信号、方波信号等，再传输给控制系统。接口电路的模块智能化，可以有效提高编码器的可靠性和独立性，有效防止数据传输误差。最后，编码器测量精度提高。编码器的精度通常由机械部分精度、码盘划分精度和信号处理电路综合保证，提高编码器精度需要采用先进的工艺来提高光电元件、码盘以及电路的精度。

近年来国外研制出了基于图像识别技术的编码器。这是一种全新的绝对式光电编码器，其以图像处理技术为基础，以往的基于莫尔条纹计数的计量原理被打破，位置信息通过采用计算图像质心移动量的方式来获得，最高可达27位分辨率。其目前已成功应用于精密制导传感器、扫描反射镜转台、干涉仪的扫描转台和六自由度平台等项目中。

除此以外，编码器的发展还向使用网络化的信号传输技术、可编程编码器技术、电磁兼容技术等方向迅速发展。编码器是一种集光、电、机械技术为一体、具有广泛用途的传感器，随着关键技术的突破和科学的迅猛发展，编码器技术必将越来越完善，产品应用也越来越广泛。

4 结语

目前，各种类型的编码器广泛用于测控、机床、工业机器人及其他许多技术领域。对编码器测量精度和分辨率的要求不断提高，促进了编码器设计技术的改进和发展。本文阐述了编码器的原理和分类，并分析了编码器在机床、自动化控制、新能源开发等领域的应用现状，最后探讨了编码器小型化、智能化的发展趋势。未来，将不断研制出更多的新型编码器，编码器的应用领域将更加广泛，其工作的可靠性和精度也将不断提高。本文对编码器的工作原理以及应用现状等进行具体论述，并对其未来发展趋势进行了展望。