旋转式编码器

4.1.2　旋转式编码器

由于数字式传感器易于实现整个应用系统的快速化、自动化和数字化，易于与PLC配合，因而被广泛应用。本节对编码器在数字式角度传感器中的应用做简要介绍。

数字式角度传感器主要有以编码方式产生数字信号的代码型和将连续信号经过整形、微分电路处理后输出离散脉冲信号的记数型两种。

代码型数字式传感器又称编码器，其工作原理是把一定量的输入量用一个对应的二进制代码作为输出量，二进制代码中的1和0分别表示高、低电平。可以用机械接触式元件或光电元件输出，通常用来检测执行元件的位置和速度，有绝对式接触编码盘、光电式编码器等。

记数型数字式传感器又称脉冲型数字式传感器，它可以是任何一种脉冲发生器，发出的脉冲数与输入量成正比，用计数器对输入量进行计数，可用来检测输送带上通过的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量。执行机构每移动一定距离或转动一定角度，传感器就会发出一个脉冲信号，如增量式光电编码器。

脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，它能将机械转角或速度转换为增量电脉冲或二进制编码输出，这是一种常用的角位移检测传感器。

脉冲编码器有绝对式和增量式两种。绝对式测量的特点是每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式表示绝对式测量值，即使断电之后重新上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器是绝对式角编码器。在这种装置中，编码器对应的每个角度都是一组二进制数据。分辨的角度值越小，或直线位移量程越大，所要求的二进制位数就越多，结构就越复杂。

增量式传感器如果中途断电，增量式位置传感器就无法获知移动部件的绝对位置。典型的增量式位置传感器有增量式光电编码器、光栅等。

角编码器又称码盘，是一种旋转式位置传感器，通常装在被测轴上，随被测轴一起转动。它能将被测轴的角位移转换成增量脉冲或二进制编码。角编码器按结构形式分为光电式、接触式和电磁感应式3种；按输出方式又可分为绝对式编码器和增量式编码器。

1）绝对式编码器

绝对式编码器是按角度直接进行编码的传感器，可直接把被测转角用数字代码表示出来，指示其绝对位置。根据内部结构和检测方式不同有接触式、光电式等。

（1）接触式编码器

图4.2　二进制编码器

如图4.2所示为一个4位二进制接触式编码器（又称接触式码盘），它在一个不导电基体上做出许多有规律的导电金属区，其中涂黑部分为导电区，用1表示；其他部分为绝缘区，用0表示。码盘分成4个码道，在每个码道上都有一个电刷，电刷经电阻接地，信号从电阻上取出。这样，无论码盘处在哪个角度上，该角度均由4个码道上的1和0组成4位二进制编码。码盘上最里面一圈码道是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和限流保护电阻接电源正极。由于码盘是与被测转轴连在一起的，而电刷位置是固定的，当码盘随被测轴一起转动时，电刷和码盘的位置发生相对变化，若电刷接触到导电区域，那么信号经电刷、码盘、电阻和电源形成回路，该回路中的电阻上有电流流过，产生压降，输出为1；反之，若电刷接触的是绝缘区域，则不能形成回路，电阻上无电流流过，输出为0，所示可根据电刷的位置得到由1、0组成的准位二进制码。由图4.2可看出电刷位置与输出编码的对应关系。

不难看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在里，低位在外，则有n圈码道的码盘，可以表示n位二进制编码。若将圆周均分为2ⁿ个，每个分别表示不同位置，那么其分辨的角度α为：

显然，码盘的码道越多，二进制编码的位数就越多，所能分辨的角度α就越小，测量精度就越高。例某6码道的绝对式角编码器，其角度分辨力为α＝360°/26＝5.685°；若为12码道，则角度分辨力为α＝360°/2¹²＝5.28′。

需要说明的是，当电刷由位置0111向位置1000过渡时，若安装位置不准或接触不良，可能会出现8～15之间的任一十进制数。为了消除这种非单值性误差，可采用二进制循环码盘（格雷码盘）。

图4.3为一个4位格雷码盘，与如图4.2所示的BCD码盘相比，不同之处在于：码盘旋转时，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，所以每次只切换一位数，可把误差控制在最小范围内。

图4.3　格雷编码器

（2）光电式编码器

光电式编码器与接触式编码器结构相似，只是其中的黑白区域不表示导电区和绝缘区，而是表示透光或不透光区。其中黑的区域为不透光区，用0表示；白的区域为透光区，用1表示，则在任意角度都有对应的二进制编码。它与接触式编码盘不同的是，不必在最里面一圈设置公用码道，同时电刷被每一码道上的一组光电元件取代。

光电式脉冲编码器是一个在发光元件与光电接收元件之间，直接装在旋转轴上的，具有一定数量透光与不透光扇形区的编码盘。当它转动时，可得到与转角或转速成比例的脉冲电压信号，具有非接触性、精度高、响应速度快、可靠性高等优点，是精密数字控制、数控机械系统中常用的角位移数字式检测传感器。

表4.1给出了几种常用的绝对式编码器的技术参数，供选用时参考。

表4.1　绝对式编码器的技术参数

2）增量式编码器

增量式编码器的工作原理如图4.4所示。光源常用具有聚光效果的LED。增量式编码器与光栅传感器有类似之处，也需要一个计数和辨向系统。旋转的码盘通过光电元件给出一系列脉冲，在计数器中对每个基数进行加或减，从而记录下转动的方向和角度。由于只能反映相对于上次转动角度的增量，所以称为增量式编码器。

光电码盘与转轴连在一起。码盘可以用玻璃材料制作，表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘刻出向心透光窄缝。透光窄缝在光电码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等，这样，码盘就分成透光与不透光区域。码盘也可以用不锈钢材料制作。

光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘圆周上的窄缝条数有关。即所能分辨的最小角度为

例如，窄缝条数为2 048，则所能分辨的最小角度为α＝360°/2 048＝0.162 5°

为了得到码盘转动的绝对位置，必须设置一个基准点，如图4.4中的零位标志槽，并在两边分别配置发光和光电接收元件。每当工作轴旋转一周，光电元件就产生一个Z相一转基准脉冲信号。通常数控机床的机械原点与各轴的脉冲编码器发出的Z相脉冲的位置是一致的。

目前，在数控系统中应用的增量式编码器，有每转产生2 000个、2 500个、3 000个、4 000个脉冲等多种，速度最高可达2 000r/min。

图4.4　增量式编码器结构原理图

3）电磁式编码器

电磁式编码器的码盘有两种制作方法，一种是在非磁性材料制成的圆盘上涂满磁性材料，然后用磁化的方法在磁性层上预先录下相应的代码；另一种是在磁性材料（软铁）圆盘上用腐蚀的方法做成一定的编码图形，使圆盘的导磁性有的地方高有的地方低，以此来表示相应的代码。

同时用一个很小的马蹄形磁心作磁头，上面绕两个线圈，一个为励磁线圈，另一个为读出线圈。工作时，码盘随被测轴旋转，励磁线圈加上一幅度和频率均不变的正弦励磁电流。由于电磁感应，在读出线圈中产生一个与励磁信号同频率的信号，但此信号的幅度与线圈匝数以及磁头靠近码盘时回路的磁场强弱有关。当磁头对准一个磁化区时，磁路饱和，读出线圈的输出电压低；磁头对准一个非磁化区时，输出电压高。将此输出信号解调整形后便可得到方波输出，方波所代表的代码表示了码盘（被测物体）所转的角度。

电磁式码盘是一种无触点码盘，具有寿命长、转速高、比接触编码式码盘工作可靠、对环境条件要求较低等优点，是一种比较有发展前途的码盘，但成本比接触式高。

就这几种码盘而言，光电码盘性能价格比最高。除此之外还有电容码盘和霍尔码盘，应用也较广泛，使用时可查阅相关资料。

分辨率是光电编码器的一项主要技术指标。增量式光电编码器的分辨率决定于输出的脉冲数，而绝对式光电编码器的分辨率决定于位数（即2n）。

4）光电编码器的应用

光电编码器在机器设备中应用的方式分为两种形式：

（1）作为直接测量元件使用，如做角度测量元件。

（2）作为转速、速度、坐标位置信息反馈元件使用。如电动机驱动风机、泵等或在无级调速机械中提供动力。光电编码器与电机匹配反馈电机转速信息，使流量按需要供给，转速按需要变化，既可节能，又节约材料。

光电编码器用于数控车床如图4.5所示。这是直流定位系统和数控角度系统。在调速系统的基础上，用光电编码器做位置反馈，在控制单元上加定位板，就构成直流定位系统。这样可像控制步进电机一样简单地控制直流电机。命令脉冲的频率和输入脉冲的个数与编码器反馈的脉冲频率和脉冲个数一致，由命令脉冲的频率和个数算出电机的转角和转速。把定位系统的输入端接到专用控制装置，就可构成数控角度系统，可控制数控分度头。

图4.5　光电编码器用于数控机床