旋轉(zhuǎn)編碼器的原理是什么？增量式編碼器和絕對式編碼器有什么區(qū)別？
2021-6-4新聞
先給出結(jié)論，最重要的區(qū)別在于：增量式編碼器沒有記憶，斷電重啟必須回到參考零位，才能找到需要的位置，而絕對式編碼器，有記憶，斷電重啟不用回到零位，即可知道目標(biāo)所在的位置。
接下來細(xì)說一下,主要包含如下的內(nèi)容：
1.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理是什么？
2.絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理是什么？
3.增量式和絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器有哪些不同？
4.單圈絕對式和多圈絕對式編碼器有什么不同？
5.選擇編碼器，需要考慮的最重要的因素有哪3點(diǎn)？
6.編碼器的實(shí)際應(yīng)用舉例。
1．電機(jī)屁股那點(diǎn)事
作為機(jī)械設(shè)計(jì)人員，我們在選電機(jī)時(shí)，非常注重電機(jī)的扭矩和尺寸，因?yàn)檫@直接決定了電機(jī)是否能按規(guī)定的運(yùn)動模式拖動負(fù)載，能不能很好地布置在有限的空間之中。
但在精密機(jī)械設(shè)計(jì)中，其實(shí)還有一個(gè)和扭矩及尺寸同等重要的參數(shù)，那就是分辨率。
說起分辨率，很多時(shí)候，在電機(jī)參數(shù)中，可以看到一組數(shù)據(jù)，例如2000Count/Turn＝2000脈沖/圈，和17bit/33bit等。
對旋轉(zhuǎn)電機(jī)有所了解的朋友都知道，2000C/T，這其實(shí)是說，這個(gè)電機(jī)帶有一個(gè)增量式編碼器，轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)著2000個(gè)脈沖，所以該編碼器的分辨率是360/2000=0.18度。
由于相對式編碼器通常可以做4倍頻（后面我會解釋為什么），所以2000C/T的分辨率可以變成0.18°/4＝0.045度。
而17bit/33bit則是在說，這個(gè)電機(jī)帶有一個(gè)17位的多圈絕對編碼器。
那么問題來了，絕對式編碼器和增量式編碼器原理上有什么區(qū)別？應(yīng)用上有什么區(qū)別？絕對式編碼器為什么用二進(jìn)制表示分辨率？單圈和多圈絕對式編碼器有什么區(qū)別？
我想，弄清楚這幾個(gè)問題，對于電機(jī)或者需要用到旋轉(zhuǎn)編碼器的地方，心里就不會像過去那樣模模糊糊，而是會清晰明了地，直接選擇合適的編碼器。
這也是我本次理清編碼器這個(gè)基本概念的目的。
2. 旋轉(zhuǎn)編碼器的類型和優(yōu)缺點(diǎn)
現(xiàn)在市面上通常有三種編碼器：光學(xué)編碼器（Optical Encoder），磁編碼器（Magnetic Encoder），和電容式編碼器（Capacitive Encoder）。
光學(xué)編碼器是最常用，也是精度最高的一種，但同時(shí)其價(jià)格也最高。
光學(xué)編碼器相對磁和電容編碼器來說，更容易受到環(huán)境的影響，比如在低溫下使用光學(xué)編碼器，如果環(huán)境溫度急劇上升，可能在光學(xué)碼盤上形成凝霧，這會導(dǎo)致讀不到信號或者信號扭曲。
磁編碼器就不那么容易受到環(huán)境的影響，但是由于其天然的非線性，磁編碼器不如光學(xué)編碼器的精度高。它們通常用于灰塵，蒸汽，振動和其他可能干擾光學(xué)編碼器性能的環(huán)境中。
同時(shí)在各種液體環(huán)境下，磁編碼器也可以工作，磁編碼器使用的功耗也比光學(xué)編碼器少。
電容編碼器是工業(yè)自動化相對較新的事物，這種編碼器與磁編碼器一樣耐環(huán)境，但也無法實(shí)現(xiàn)光學(xué)編碼器的高分辨率和準(zhǔn)確性。
3. 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理是什么
要理解增量式編碼器（Incremental Encoder）和絕對式編碼器（Absolute Encoder）之間的區(qū)別，首先要明白他們的工作原理，對嗎。
增量式編碼器的工作原理是什么？
這里以用得最多的光學(xué)編碼器為例來說明。
先放一張圖。
如上圖，該系統(tǒng)包含一個(gè)碼盤，以及位于碼盤一側(cè)的LED光源，和位于其另外一側(cè)的光電探測器芯片Detector Chip。
碼盤上有一系列的黑色標(biāo)線和透明窗口，黑色標(biāo)線不透光，而窗口是可以透光的。
LED光經(jīng)過透鏡（Lens）后，形成平行光，打在碼盤上，光線在黑色刻線處被阻擋，而在透明窗口處穿過碼盤，照射到下面的感應(yīng)器感應(yīng)區(qū)域。
感應(yīng)器上有兩個(gè)區(qū)域是可以感應(yīng)信號的，一個(gè)是Index Sensor Area，也就是起始零位感應(yīng)區(qū)域，一個(gè)是位置信號變化感應(yīng)區(qū)域A/B Sensor Area。
零位感應(yīng)也叫Home，有的地方也叫Zero，把它探測所產(chǎn)生的信號叫Z信號。
并不是所有的增量式編碼器都有參考零位，比如有些傳送帶上的應(yīng)用就不需要，而有的增量式編碼器有不止一個(gè)參考零位，這里不過多地討論，感興趣的可以自己去了解一下。
LED光線通過碼盤窗口，透射到另外一側(cè)的感應(yīng)器感應(yīng)區(qū)域。碼盤旋轉(zhuǎn)，固定的感應(yīng)器便可以讀取到光的這種交替變化模式，進(jìn)而將位置信息報(bào)告回機(jī)械系統(tǒng)。
感應(yīng)器所產(chǎn)生的波形如下圖，是重復(fù)的方波（有的編碼器傳送正弦波或者余弦波），且高電平和低電平占用時(shí)間相同，因?yàn)榇a盤上的不透明刻線和透明窗口間隔的角度相同，一個(gè)黑線和一個(gè)透明扇區(qū)域構(gòu)成一個(gè)周期，對應(yīng)著波形圖中的一個(gè)低電平和一個(gè)高電平，也就是一個(gè)360度電周期。
為什么波形圖中有兩個(gè)通道，一個(gè)A，一個(gè)B？用來干什么？
細(xì)心的你，也許從剛剛前面那張圖就發(fā)現(xiàn)了，A/B Sensor Area就是產(chǎn)生兩個(gè)通道信號的原因。
怎么解釋呢，再來一張細(xì)節(jié)圖。
從上面這張圖中可以看出，光電感應(yīng)器A和感應(yīng)器B并沒有在同一半徑方向上，而是有一個(gè)角度錯(cuò)位，錯(cuò)位多少呢，剛好是一個(gè)刻線所占據(jù)角度的一半，也就是1/4物理周期。
我們知道，如果只有一個(gè)感應(yīng)器A，那么當(dāng)觸發(fā)零位后，感應(yīng)器A就開始計(jì)數(shù)了，每經(jīng)過一個(gè)黑線和一個(gè)透明線，波形就形成一個(gè)低電平和一個(gè)高電平，也就是一個(gè)周期，但是它并不知道碼盤的旋轉(zhuǎn)方向，可能是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可能是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
所以，感應(yīng)器B加入的目的就很明顯了：和感應(yīng)器A配合，用于判斷碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。
因?yàn)锳和B錯(cuò)位1/4物理周期，（也就是相差90度電脈沖周期，所以也叫做正交脈沖，英文是Quadrature，我們常聽到的A-Quad-B就是從這兒來的），所以光線會先后透射過透明窗口，打在感應(yīng)器A和B上，形成1/4個(gè)周期差。
例如，如果順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，A領(lǐng)先于B四分之一周期，那么逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，A必然滯后于B四分之一周期。從而可以根據(jù)A領(lǐng)先于B，還是滯后于B來判斷旋轉(zhuǎn)方向。
OK，到這里，我們理解了增量式編碼器的工作原理：通過Index找到零位，通過脈沖數(shù)目計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度，通過AB通道的相對滯后性判斷旋轉(zhuǎn)方向，通過波形所占據(jù)的時(shí)間，或者波的脈沖頻率來判斷速度。
再仔細(xì)想一下，AB通道相差1/4周期，還可以用來干什么？
或許你已經(jīng)猜到，就是我在一開始就說到的4倍頻（倍乘）分辨率。
怎么實(shí)現(xiàn)呢？
看波形圖吧。
這里，以每圈100個(gè)物理周期碼盤來舉例。
一倍乘X1：碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果我們計(jì)算通道A脈沖的每個(gè)上升沿（由0變成5V），則每轉(zhuǎn)將獲得100個(gè)脈沖。
2倍乘X2：碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果我們計(jì)算通道A的每個(gè)上升沿和每個(gè)下降沿（由5V變成0），則每個(gè)周期將獲得2個(gè)脈沖，每轉(zhuǎn)總計(jì)200個(gè)脈沖。
4倍乘X4：如果我們計(jì)算通道A和通道B的每個(gè)上升沿和下降沿，則每個(gè)物理周期將獲得4個(gè)脈沖，每轉(zhuǎn)總計(jì)400個(gè)脈沖。
因?yàn)樵隽渴骄幋a器的物理刻線相距角度一樣，本質(zhì)上來說，它是通過計(jì)算脈沖數(shù)量，來計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度的。
同樣的一圈，不同的倍頻法得到的每圈脈沖數(shù)不同，顯然4倍頻得到的分辨率最高。
這就是分辨率4倍頻的原理。
所以2000C/T的分辨率可以變成0.18°/4＝0.045度。
但是需要明白的是，這個(gè)4倍乘，并沒有改變碼盤的物理刻線之間的角度，僅僅是電脈沖數(shù)量的變化，而且這個(gè)倍乘通常是在控制器或者計(jì)數(shù)器中完成的，信號質(zhì)量好，可靠。
如果在不改變碼盤條件下，還想獲得更高的分辨率，怎么辦？
可以用Interpolation，也就是信號插值。
插值的含義是什么呢？我理解得也不是很多，但是數(shù)學(xué)上來說，插值就是通過已知的數(shù)據(jù)，去預(yù)測未知的數(shù)據(jù)。
在編碼器應(yīng)用中，因?yàn)閷?shí)際的位置，可能位于黑色刻線和透明窗口之間，插值就可以得到這些位置的值，從而獲得更高的分辨率。
理論上，插值可以獲得無限的分辨率，但是過高的插值也會引入新的問題，例如信號容易受到電噪聲的影響從而降低精度，需要與之相匹配的驅(qū)動和控制器，大量的數(shù)據(jù)處理需要花費(fèi)更多的時(shí)間，需要更快的響應(yīng)等。
目前，我在某供應(yīng)商的產(chǎn)品目錄中，看到最高的插值倍數(shù)是20000倍，分辨率達(dá)到0.002arcsec。當(dāng)然，這個(gè)碼盤也很大，外徑達(dá)到206mm，一圈的物理周期是32400（也就是32400 Line Count）。
這個(gè)碼盤的物理分辨率是：360/32400＝0.01111°，插值后分辨率是：0.01111/20000*3600=0.002arcsec，這里除以3600是單位的換算。這款編碼器安裝后能實(shí)現(xiàn)的精度是±1arcsec＝±1/3600°。
4. 絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理是什么？
絕對式編碼器的工作原理和增量式有所不同。
怎么個(gè)不同法？
分餅游戲開始了。
還是先看一張圖。
這個(gè)圖是一個(gè)16位絕對式編碼器示意圖。整圈被分成了16份，也就是有16個(gè)扇區(qū)。
它和增量式編碼器的圖相似，但是又有一點(diǎn)不一樣：在半徑方向上，每一個(gè)扇區(qū)又被分成了4份。
LED光從碼盤一側(cè)照射下來，相應(yīng)地，在碼盤另外一側(cè)有一個(gè)探測芯片，探測芯片有4個(gè)感應(yīng)區(qū)，每個(gè)感應(yīng)區(qū)，可以獲取同一個(gè)扇區(qū)每一份的狀態(tài)。
透明的窗口，光線穿過去，感應(yīng)區(qū)感應(yīng)到信號，不透明的區(qū)域，光線無法穿過，感應(yīng)區(qū)無法感應(yīng)到。
如果把有感應(yīng)和無感應(yīng)看成是兩種狀態(tài)，分別用1和0表示，那么每一個(gè)感應(yīng)區(qū)可以表示2種狀態(tài)。
進(jìn)而，同一個(gè)扇區(qū)中這4份（4位），可以表示2^4=16種狀態(tài)，這也是為什么這個(gè)碼盤在圓周方向上被分為了16份，其實(shí)相當(dāng)于對每一個(gè)位置進(jìn)行了編碼，每個(gè)編碼對應(yīng)著一個(gè)特定的位置。
可能你也想問，能不能在半徑方向分4份，而在圓周方向多分幾份。多分沒有意義，因?yàn)榘霃椒较蛑挥?位，無法表示更多的位置。少分又不能充分利用好感應(yīng)到的狀態(tài)總數(shù)，所以分成2^4＝16份剛剛好。
比如下面這幅圖，從左到右可以分別表示0001, 0101, 1100，用十進(jìn)制表示就是第1, 第5，第12個(gè)位置。
0101轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制：0*2^3+1*2^2+0*2^1+1*2^0=5。1100轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制：1*2^3+1*2^2+0*2^1+0*2^0=12。
到這里，我們基本上明白了絕對式編碼器的原理：對每一個(gè)位置，給定一個(gè)唯一的編碼，再用傳感器去識別每個(gè)位置的編碼，輸出與之相對應(yīng)的唯一信號，用來表示特定的位置。
如果要獲得更高的分辨率，那么就需要更多的編碼位數(shù)，也就是需要在圓周方向上，刻上更多的特定編碼（這通常都會加大碼盤）。
比如需要17位，也就是2^17=131072個(gè)位置，那么就需要131072個(gè)不同的編碼，這時(shí)的分辨率是360/131072＝0.00275°。
當(dāng)然，并不是每個(gè)廠家的編碼方法，都和上面這個(gè)例子一樣。有的廠家不在半徑方向上劃分，只在圓周方向上劃分，但是基本理念是一樣的，就是用唯一的編碼表示唯一的位置。
這就是絕對式編碼器的核心思想。
剛剛說完了編碼方法，那么絕對式編碼器輸出的波形圖和增量式有什么不同呢？
還是以光學(xué)絕對編碼器為例來說明，一個(gè)典型的絕對編碼器輸出波形如下，右圖。
這里使用的是脈沖帶寬調(diào)制（PWM＝Pulse Width Modulation）。
一個(gè)10位絕對編碼器可以輸出2^10＝1024個(gè)獨(dú)特編碼，在圖中怎么表示每一個(gè)特定的位置呢？
用脈沖寬度來表示。
例如，起始零位，用一個(gè)最小的脈沖寬度1微秒來表示這個(gè)位置。在180°，用512微秒的脈沖帶寬來表示。
類似地，對于其他的位置，用不同的脈沖寬度來表示，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)，越來越長的脈沖帶寬被傳遞。
順便說一下，上圖左邊，是一個(gè)絕對式磁編碼器的波形圖，它是用電壓的高低來表示不同的位置。
這些波形信息，按照控制系統(tǒng)的配置，可以通過不同的通信接口，傳遞給控制器，用來做反饋控制。
5. 絕對式單圈和多圈編碼器有什么不同？
絕對式編碼器又分為單圈和多圈，即Single-Turn Absolute Encoder和Multi-Turn Absolute Encoder。
單圈很好理解，就像鐘表中只有分針，一圈一圈地不停轉(zhuǎn)，60分鐘之后，表重置，并不記錄旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，在這里，也就是不知道是幾個(gè)小時(shí)。
多圈，就像是鐘表中即有分針，還有時(shí)針。在任何時(shí)刻，分鐘和小時(shí)數(shù)都可以被讀取。
所以多圈編碼器可以記錄很多很多圈。
實(shí)際的多圈編碼器，常用3種方法來實(shí)現(xiàn)圈數(shù)記錄。
第一種，就像上面那張圖一樣，在編碼器內(nèi)部，用機(jī)械齒輪耦合多個(gè)軸，用來計(jì)算總的圈數(shù)，這種方法，因?yàn)橛玫搅藱C(jī)械齒輪，所以會帶來磨損，使得精度降低，同時(shí)機(jī)械齒輪會占用很多空間，所以編碼器尺寸偏大。
第二種，就是用電子計(jì)數(shù)器和電容器，來計(jì)算總共轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，但是代價(jià)是需要在編碼器內(nèi)部安裝電池，而且需要定期檢查電池。
第三種，在一些磁編碼器中，采用韋根金線（Wiegand wire），并利用韋根效應(yīng)來計(jì)數(shù)（Wiegand effect）。這種編碼器沒有太多機(jī)械結(jié)構(gòu)件，可以做得很小。
韋根效應(yīng)，也是我在了解編碼器的過程中才知道的，所以多做一點(diǎn)說明。
韋根金線，它由一種特殊的合金制成，具有硬磁（永磁，不易退磁）的金屬外殼和軟磁（容易退磁和磁化）的金屬芯。韋根線表現(xiàn)出具有兩個(gè)明顯不連續(xù)的磁滯曲線，稱為韋根效應(yīng)。
在適當(dāng)磁場強(qiáng)度的作用下，韋根線芯磁場會反向，其磁場和和外硬層相同或者相反，讓處在附近的線圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖的大小和形狀與外部磁場變化的速度無關(guān)，磁編碼器就是利用這個(gè)脈沖來記錄轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，并把數(shù)據(jù)寫入穩(wěn)定的存儲器中。
當(dāng)然，單圈編碼器也可以通過信號重復(fù)的次數(shù)，來計(jì)算旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，但是就沒有多圈編碼器那么直接。
單圈編碼器，如果轉(zhuǎn)了超過一圈，斷電重啟后，不知道轉(zhuǎn)了幾圈，也就是說，不知道絕對位置的。
這個(gè)特性，決定了單圈絕對編碼器只適用于開機(jī)需要絕對位置，但是在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，旋轉(zhuǎn)不滿一圈的應(yīng)用中。
而多圈編碼器，是有圈數(shù)物理絕對位置記錄的，所以，多圈相對于單圈可以獲得更長更遠(yuǎn)的絕對位置。
但是與此同時(shí)，關(guān)于多圈編碼器，又出現(xiàn)了一個(gè)新的問題。
如果旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)超過了它的總記錄容量會發(fā)生什么？
這時(shí)，圈數(shù)會溢出，要么重新計(jì)數(shù)，要么驅(qū)動器和控制器提供一種特殊的位置跟蹤，稱為“模數(shù)定位”，它可以存儲任何溢出運(yùn)動，即超出記錄圈數(shù)的旋轉(zhuǎn)部分，并使用此信息提供準(zhǔn)確的定位。
到此，我們重新理解了單圈和多圈編碼器的區(qū)別：單圈只能記錄一圈之內(nèi)的運(yùn)動，多圈可以記錄很長的旋轉(zhuǎn)或者直線位移。
好了。
現(xiàn)在我們回過頭去看一下，在文章一開始就提到的17bit/33bit。
這是什么含義？相信你從上面的解釋中，已經(jīng)明白了。
17bit/33bit的含義是：17bit就是說每轉(zhuǎn)一圈有2^17=131072個(gè)脈沖，而33bit表示總共的脈沖位數(shù)是2^33=2^17*2^16，那么這個(gè)多圈編碼器可以記錄33-17=16bit＝2^16=65536圈。
這里計(jì)算分辨率要注意，它的分辨率只和一圈的脈沖數(shù)有關(guān)，而和總的圈數(shù)無關(guān)，也就是說這個(gè)編碼器的分辨率是360/131072=0.00275度。
如果一個(gè)馬達(dá)使用了這個(gè)編碼器，用此馬達(dá)驅(qū)動滾珠絲杠，運(yùn)動一圈前進(jìn)5毫米，那么理論上的分辨率就是：5mm/131072cnt=0.038um/cnt。
當(dāng)然，實(shí)際分辨率肯定要比這個(gè)低，畢竟?jié)L珠絲杠系統(tǒng)也是有間隙的，而且大多數(shù)時(shí)候，機(jī)械系統(tǒng)的間隙才是整個(gè)系統(tǒng)的短板。
6. 增量式編碼器和絕對式編碼器有什么不同？包括原理，價(jià)格，應(yīng)用等
通過上面的解釋，我們理解了增量和絕對式兩種旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理。
絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的原理和增量式的原理類似，都是通過傳感器來讀取碼盤上明暗相間的刻線獲得脈沖，根據(jù)脈沖數(shù)目來表示位置。
不同的是，絕對式編碼器，斷電可以記住當(dāng)前位置，即使斷電后有機(jī)械移位，通電后也知道移動到哪里去了，因?yàn)榻^對式編碼器對每一個(gè)位置，有一個(gè)唯一的編碼。
而增量式編碼器不同，它沒有記憶，斷電后重啟，需要找到參考點(diǎn)后，才能找回需要的位置。
增量式編碼器很適合用于確定速度，距離或運(yùn)動方向。
如果需要在斷電重啟時(shí)就知道位置，那么就需要絕對式編碼器了。
例如，如果你要設(shè)計(jì)機(jī)械臂，在斷電后可能沒有足夠的空間或靈活性，使其無法移動到原始位置，在這種情況下，需要使用絕對編碼器。
這是從技術(shù)角度說明兩者的不同。
但是其實(shí)從成本，應(yīng)用方面來看，兩者也有不同之處，我就不多探討了，直接給出結(jié)果。
有如下的這個(gè)表格：
7. 選擇編碼器，最重要的參考因素有哪3點(diǎn)？
1. 開機(jī)是否需要知道絕對位置，用來決定選擇增量式還是絕對式。實(shí)際運(yùn)行過程中可能的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，用來決定多圈還是單圈編碼器。
2. 精度要求，分辨率要求，決定編碼器的分辨率選擇。
3. 最大速度。分辨率選定，需要結(jié)合最大速度計(jì)算編碼器產(chǎn)生信號的頻率。編碼器輸出的頻率，需要比控制器或者計(jì)數(shù)器能夠接受的最大輸入頻率低，否則需要重新選擇編碼器，重新匹配。另外編碼器本身也有最大轉(zhuǎn)速要求。
4. 價(jià)格。結(jié)合預(yù)算考慮價(jià)格。
5. 安裝方式。軸孔安裝，空間大小評估，安裝公差要求，出線的方向等。
6. 外圍環(huán)境?；覊m，濕度，溫度，振動，電磁環(huán)境等，決定編碼器的選擇類型和信號線的屏蔽等，例如選擇光學(xué)式，還是磁式，還是電容式，選擇屏蔽線還是非屏蔽線等。
當(dāng)然，實(shí)際選擇時(shí)，如果有不太確定的地方，一定有一個(gè)辦法可以幫你解決問題。
那就是聯(lián)系你的供應(yīng)商，說出你的問題，畢竟他們是專業(yè)的，很多時(shí)候，他們可以給你一些很好的選擇建議，這個(gè)時(shí)候，往往也是很好的學(xué)習(xí)機(jī)會。
關(guān)于編碼器，如果要深挖的話，還有很多話題的，比如噪聲的來源，如何控制噪聲等。
但是限于主題和篇幅，今天就到這里吧。
