編碼器是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，主要利用光柵衍射的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)位移與數(shù)字變換，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量。

編碼器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于定位、測(cè)速和定長(zhǎng)等場(chǎng)合。

編碼器按工作原理的不同，可以分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。

1. 增量式編碼器

增量式編碼器提供了一種對(duì)連續(xù)位移量離散化、增量化以及位移變化（速度）的傳感方法。增量式編碼器的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個(gè)增量位移就對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸出脈沖信號(hào)。增量式編碼器測(cè)量的是相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置增量，而不能夠直接檢測(cè)出絕對(duì)位置信息。

增量式編碼器主要由光源、碼盤、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成。在碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期。檢測(cè)光柵上刻有A、B 兩組與碼盤相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過(guò)或阻擋光源和光電檢測(cè)器件之間的光線，它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯(cuò)開(kāi)1/4 節(jié)距，使得光電檢測(cè)器件輸出的信號(hào)在相位上相差 90°。當(dāng)碼盤隨著被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)光柵不動(dòng)，光線透過(guò)碼盤和檢測(cè)光柵上的縫隙照射到光電檢測(cè)器件上，光電檢測(cè)器件就輸出兩組相位相差 90°的近似于正弦波的電信號(hào)，正弦波經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)處理，會(huì)得到矩形波，進(jìn)而就可以得到被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。? ??

增量式編碼器組成部件及原理

一般來(lái)說(shuō)，增量式光電編碼器輸出 A、B ?兩相相位差為 90°的脈沖信號(hào)（即所謂的兩相正交輸出信號(hào)），根據(jù) A、B 兩相的先后位置關(guān)系，可以方便地判斷出編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。另外，碼盤一般還提供用作參考零位的 Z 相標(biāo)志脈沖信號(hào)，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，會(huì)發(fā)出一個(gè)零位標(biāo)志信號(hào)。

增量式編碼器輸出信號(hào)

2. 絕對(duì)式編碼器

絕對(duì)式編碼器的原理及組成部件與增量式編碼器基本相同，與增量式編碼器不同的是，絕對(duì)式編碼器用不同的數(shù)字碼來(lái)表示每個(gè)不同的增量位置，它是一種直接輸出數(shù)字量的傳感器。

絕對(duì)式編碼器的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條碼道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)。在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件。當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 n 位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有 n條碼道。

絕對(duì)式編碼器原理圖

根據(jù)編碼方式的不同，絕對(duì)式編碼器的碼盤分為兩種形式，分別為二進(jìn)制碼盤和格雷碼盤。

絕對(duì)式編碼器碼盤

絕對(duì)式編碼器的特點(diǎn)是不需要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼，即直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值。另外，相對(duì)于增量式編碼器，絕對(duì)式編碼器不存在累積誤差，并且當(dāng)電源切除后位置信息也不會(huì)丟失。

3.? 編碼器輸出信號(hào)類型

編碼器的信號(hào)輸出有集電極開(kāi)路輸出、電壓輸出、線驅(qū)動(dòng)輸出和推挽式等多種信號(hào)輸出形式。

（1）集電極開(kāi)路輸出式

集電極開(kāi)路輸出式以輸出電路的晶體管發(fā)射極作為公共端，并且集電極懸空的輸出電路。根據(jù)使用的晶體管類型不同，可以分為NPN集電極開(kāi)路輸出式和PNP集電極開(kāi)路輸出式兩種形式。

NPN?集電極開(kāi)路輸出式

PNP集電極開(kāi)路輸出式

（2）電壓輸出式

電壓輸出式是在集電極開(kāi)路輸出電路的基礎(chǔ)上，在電源和集電極之間接了一個(gè)上拉電阻，這樣就使得集電極和電源之間能有了一個(gè)穩(wěn)定的電壓狀態(tài)。一般在編碼器供電電壓和信號(hào)接受裝置的電壓一致的情況下使用這種類型的輸出電路。

電壓輸出型

（3）推挽式

推挽式輸出方式由兩個(gè)分別為 PNP 型和 NPN 型的三極管組成。當(dāng)其中一個(gè)三極管導(dǎo)通時(shí)，另外一個(gè)三極管則關(guān)斷，兩個(gè)輸出晶體管交互進(jìn)行動(dòng)作。

推挽式輸出

這種輸出形式具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此在低阻抗情況下它也可以提供大范圍的電源。由于輸入、輸出信號(hào)相位相同且頻率范圍寬，因此它還適用于長(zhǎng)距離傳輸。

推挽式輸出電路可以直接與 NPN 和 PNP 集電極開(kāi)路輸入的電路連接，即可以接入源型或漏型輸入的模塊中。

（4）?線驅(qū)動(dòng)輸出式

線驅(qū)動(dòng)輸出接口采用了專用的 IC芯片，輸出信號(hào)符合RS-422 標(biāo)準(zhǔn)，以差分的形式輸出，因此線驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)抗干擾能力更強(qiáng)，可以應(yīng)用于高速、長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，同時(shí)還具有響應(yīng)速度快和抗噪聲性能強(qiáng)的特點(diǎn)。

線驅(qū)動(dòng)輸出式

需要說(shuō)明的是，除了上面所列的幾種編碼器輸出的接口類型外，現(xiàn)在好多廠家生產(chǎn)的編碼器還具有智能通信接口，比如PROFIBUS總線接口。這種類型的編碼器可以直接接入相應(yīng)的總線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)通信的方式讀出實(shí)際的計(jì)數(shù)值或測(cè)量值，這里不做說(shuō)明。

4. 編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

（1）PNP輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

PNP輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC接線時(shí)，按漏型輸入接法。

PNP輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

（2）NPN輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

NPN輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC接線時(shí)，按源型輸入接法。

NPN輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

5. 增量式編碼器的選型

在增量式編碼器選型時(shí)，可以綜合考慮以下幾個(gè)參數(shù)。

（1）電源電壓

電源電壓是指編碼器外接供電電源的電壓，一般為直流 5～24V。

（2）分辨率

分辨率是指編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出的脈沖數(shù)，工程中一般稱輸出多少線。編碼器廠家在生產(chǎn)編碼器時(shí)，通常也會(huì)將同一型號(hào)的產(chǎn)品分成不同的分辨率。分辨率一般在 10～10000線之間，當(dāng)然了，也有分辨率更高的產(chǎn)品。

（3）最高響應(yīng)頻率

最高響應(yīng)頻率是指編碼器輸出脈沖的最大頻率。常見(jiàn)的最高響應(yīng)頻率有50kHz和100kHz。

（4）最高響應(yīng)轉(zhuǎn)速

最高響應(yīng)轉(zhuǎn)速是指編碼器運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)速，它取決于編碼器的分辨率和最高響應(yīng)頻率。最高響應(yīng)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式如下：

（5）輸出信號(hào)類型

輸出信號(hào)有集電極開(kāi)路輸出、電壓輸出、線驅(qū)動(dòng)輸出和推挽式等多種信號(hào)輸出形式，詳見(jiàn)“3.編碼器輸出信號(hào)類型”。

（6）輸出信號(hào)方式

編碼器的輸出信號(hào)方式有三種，分別為單脈沖輸出型、A/B/Z三相脈沖輸出型和差動(dòng)線性驅(qū)動(dòng)脈沖輸出型。其中以A/B相脈沖輸出最為常用。

1) 單脈沖輸出型。單脈沖輸出是指輸出1個(gè)占空比為50%脈沖波形。單脈沖輸出分辨率較低，常用于轉(zhuǎn)速測(cè)量和脈沖計(jì)數(shù)等場(chǎng)合。

單脈沖輸出型

2) A/B/Z三相脈沖輸出型。A/B/Z三相脈沖輸出是增量式編碼器最常用的輸出信號(hào)方式。其中可以由A/B相脈沖相位的超前和滯后關(guān)系，來(lái)判斷增量式編碼器是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。如果從增量式編碼器的軸側(cè)看，編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)即正轉(zhuǎn)，波形是A相脈沖在相位上超前B相脈沖90°，如下圖a所示；如果從增量式編碼器的軸側(cè)看，編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)即反轉(zhuǎn)，波形是A相脈沖在相位上滯后B相脈沖90°，如下圖b所示；Z相脈沖為零位標(biāo)志脈沖，編碼器每轉(zhuǎn)1圈發(fā)出1個(gè)脈沖。

A/B/Z三相脈沖輸出型

3) 差動(dòng)線性驅(qū)動(dòng)脈沖輸出型。差動(dòng)線性驅(qū)動(dòng)脈沖輸出型為一對(duì)互為反相的脈沖信號(hào)。這種輸出信號(hào)由于取消了信號(hào)地線，對(duì)以共模出現(xiàn)的干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力。工業(yè)環(huán)境中，因其能傳輸更遠(yuǎn)的距離有更為廣泛的應(yīng)用。

差動(dòng)線性驅(qū)動(dòng)脈沖輸出型

作者：韓相爭(zhēng)

長(zhǎng)期從事自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)和技術(shù)研究，取得發(fā)明和實(shí)用新型專利多項(xiàng)，近年來(lái)著工控類書(shū)籍多部，如《徹底學(xué)會(huì)S7-200 SMART PLC》《西門子PLC、觸摸屏、變頻器、組態(tài)軟件一本通》《西門子S7-200 SMART PLC編程技巧與案例》《三菱FX系列PLC編程速成全圖解》等，兩部圖書(shū)獲中國(guó)石油化工聯(lián)合會(huì)優(yōu)秀出版物一、二等獎(jiǎng)，其作品以圖文并茂和實(shí)用性廣受讀者好評(píng)，長(zhǎng)居PLC排行榜前列。

編輯：黃飛

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