解密电机的好盆友——编码器

没有它，电梯不能把你送到想去的楼层，机床不能精确切割物料，电机就会乱转。它就是一代神器——编码器！

一. 什么是编码器

编码器是一个机械与电子紧密结合的精密测量器件。它通过光电或电磁原理将一个机械的几何位移量转换为电子信号（电子脉冲或数据串）。这种电子信号通常需要连接到控制系统，控制系统经过计算可以得到测量的数据，以便进行下一步工作。

图 1 编码器

二. 编码器分类

按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

按照检测工作原理，又可以分为光电式和电磁式。

磁编码器的特点：坚固、抗振动、灰尘、脏、潮湿、成本低；

光电编码器的特点：高分辨率、精度更高、通孔轴套。

1. 增量式编码器

增量式编码器通常有3个输出口，分别为A相、B相、Z相输出，A相与B相之间相互延迟1/4周期的脉冲输出，根据延迟关系可以区别正反转，而且通过取A相、B相的上升和下降沿可以进行2或4倍频;Z相为单圈脉冲，即每圈发出一个脉冲。

增量测量法的光栅由周期性栅条组成。位置信息通过计算自某点开始的增量数（测量步距数）获得。由于必须用绝对参考点确定位置值，因此圆光栅码盘还有一个参考点轨。

2. 绝对式编码器

绝对式编码器就是对应一圈，每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。

编码器通电时就可立即得到位置值并随时供后续信号处理电子电路读取。无需移动轴执行参考点回零操作。绝对位置信息来自圆光栅码盘，它由一系列绝对码组成。单独的增量刻轨信号通过细分生成位置值，同时也能生成供选用的增量信号。

单圈编码器的绝对位置值信息每转一圈重复一次。多圈编码器也能区分每圈的位置值。

图2 绝对式旋转编码器的圆盘光栅

它们存着最大的区别：在增量编码器的情况下，位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数确定的。在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的，因此当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。如果电源再次接通，那么位置读数仍是当前的、有效的，不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。

下图给出了两种编码器的区别。

三. 编码器工作原理

增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。

下面对增量式旋转编码器的内部工作原理。

A、B两点对应两个光敏接受管，A、B两点间距为 S2，角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。

当角度码盘以某个速度匀速转动时，那么可知输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值相同，同理角度码盘以其他的速度匀速转动时，输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。如果角度码盘做变速运动，把它看成为多个运动周期（在下面定义）的组合，那么每个运动周期中输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。

通过输出波形图可知每个运动周期的时序为:

我们把当前的A、B输出值保存起来，与下一个A、B输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向，如果光栅格S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消毫的时间，就得到此次角度码盘运动位移角速度。

S0等于S1时，且S2等于S0的1/2时，1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度了。

我们常用的鼠标也是这个原理哦。

绕不开的格雷码

绝对型编码器输出的是格雷码，那么格雷码是什么？

典型的二进制格雷码（Binary Gray Code）简称格雷码，因1953年公开的弗兰克·格雷（Frank Gray，18870913-19690523）专利“Pulse Code Communication”而得名，当初是为了通信，现在则常用于模拟－数字转换和位置－数字转换中。

在一组数的编码中，若任意两个相邻的代码只有一位二进制数不同，则称这种编码为格雷码（Gray Code），另外由于最大数与最小数之间也仅一位数不同，即“首尾相连”，因此又称循环码或反射码。在数字系统中，常要求代码按一定顺序变化。例如，按自然数递增计数，若采用8421码，则数0111变到1000时四位均要变化，而在实际电路中，4位的变化不可能绝对同时发生，则计数中可能出现短暂的其它代码（1100、1111等）。在特定情况下可能导致电路状态错误或输入错误。使用格雷码可以避免这种错误。格雷码有多种编码形式。

四. 编码器的应用