1.4.2 编码器分类

旋转式编码器从脉冲与对应位置（角度）的关系来分，有增量式编码器、绝对式编码器和伪绝对式编码器三类。下面分别给予介绍。

1.增量式编码器

增量式编码器的基本结构如图1-36所示。它由码盘、光源（LED）、遮光板和感光元件四部分组成。

码盘一般由光学玻璃制成，码盘上有一个刻有均匀透光缝隙的码道，相邻两个缝隙之间代表一个增量周期。码盘的一侧是光源——发光二极管，码盘的另一侧是感光元件和位于感光元件与码盘之间的遮光板。遮光板上刻有与码盘相应的透光缝隙，它用来通过或阻挡光源和感光元件之间的光线。通常，遮光板上所刻制的两条缝隙使输出信号的电角度相差90°。这样，当码盘转动时，感光元件所接收到的感光信号经放大和整形后变成一对输出相位相差90°的A相和B相脉冲信号。同时，在增量式编码器的码盘上还有一条只刻有一个透光缝隙的码道，而在遮光板上同半径的对应位置也刻有一条缝隙，码盘每转动一周就发出一个Z相脉冲，Z相脉冲信号也叫零位标志脉冲，它作为码盘的基准标志而给计数系统提供一个初始的零位信号。图1-37为一增量式编码器结构剖析图。

图1-37中，两个相邻透光缝隙之间的对应圆心角称为分辨角α，由于透光缝隙是均匀刻制的，所以α=360° 缝隙数。如果某编码器的码道有4096个缝隙，即α=360° 4096=0.088°。增量式编码器输出信号为一连串脉冲，每一个脉冲对应一个分辨角α，增量式编码器的分辨率定义为编码器转动一周所发生的脉冲数，也就是用脉冲数/转（P/r）来表示的，换言之，码盘上码道的透光缝隙越多，分辨率就越高。所谓分辨率是指检测传感器所能检测到的最小角位移（或位移）量，它仅取决于传感器的本身，与其他无关。在实际使用中，常常把增量式编码器的分辨率说成多少线。例如，分辨率为1000P/r的称为1000线。知道了分辨角α的大小，其转动角位移等于分辨角乘以转动的脉冲数N，即θ=αN。

增量式编码器的优点是结构简单，响应快，抗干扰能力强，寿命长，可靠性高，适合长距离传输，因此被大量应用在速度检测和定位控制中。在1.4.3节中，将对增量式编码器进行专门介绍。

在定位控制中，其角位移（也可以换算成线位移）与编码器输出的脉冲个数成正比，因此控制脉冲的个数就可以控制位移的距离。但是，这种控制方式存在严重缺陷：增量式编码器的特点是每一个输出脉冲对应于一个单位位移量（也叫做增量位移），但却不能通过输出脉冲区别出是哪一个增量位移量，即无法区别出在哪个位置上的增量。因此，编码器只能产生相对增量位移量，这就造成两个问题。首先，它只控制相对位移量，即相对当前位置的位移量。如果这个相对位置本身就存在误差，那么整个定位控制系统都会受到影响，而且这种误差还会不断累积下去，最后会使整个定位控制不能正常工作。其次，由于它不能检测出轴的转动绝对位置。因此，如果发生停电，哪怕是瞬间断电，都会造成当前位置信息的丢失。当重新上电时，必须要执行一次重新回原点（定位控制的参考点）操作，才能保证定位控制的准确性。这种情况导致了另一种类型的编码器——绝对式编码器的出现。

2.绝对式编码器

与增量式编码器不同的是，绝对式编码器能够输出转轴转动的绝对位置信号。这和绝对式编码器码盘上的组成有很大关系。在绝对式编码器的码盘上沿径向方向有若干个同心码道，每条码道也是由透光码道组成的，这些透光缝隙是按照相应的码制关系来刻制的。如图1-38所示为一绝对式编码器的光学图案码盘。码盘的一侧是光源，另一侧是感光元件，感光元件和码道的数量相对应，如图1-39所示。

当码盘处于不同位置，由径向排列的感光元件根据每个码道上透光缝隙的不同会产生相应的电平信号，组合成一组二进制编码。不同的位置其二进制编码是不同的，而且码盘上二进制编码器全为0的位置是固定的。这样，在转轴的任意位置都可以读出一个固定的、与位置相对应的二进制编码，这就是绝对式编码器能够表示转轴位置的工作原理。常用的码制有二进制码、格雷码和BCD码等。

图1-40和图1-41所示为一个仅作说明的三位二进制码码盘和格雷码码盘示意图。

二进制码是一种有权码，但这种编码方式在码盘转至某些边界时，编码器输出便出现问题。例如，当转盘转至001～010边界时（如图1-40所示）这里有两个编码改变，如果码盘刚好转到理论上的边界位置，编码器输出多少？由于是在边界，001和010都是可以接收的编码。然后由于机械装配的不完美，左边的光电二极管在边界两边都是0，不会产生异议，而中间和左边的光电二极管则可能会是“1”或者“0”，假定中间是1左边也是1，则编码器就会输出011，这是与编码盘所转到的位置010不相同的编码，同理，输出也可能是000，这也是一个错码。通常在任何边界只要是一个以上的数位发生变化时都可能产生此类问题，最坏的情况是三位数位都发生变化的边界，如000～111边界和011～100边界，错码的概率极高。因此，纯二进制编码是不能作为编码器的编码的。

与上面纯二进制码相比，格雷码的特点是：任何相邻的码组之间只有一位数位变化（如图1-41所示），这就大大减小了由一个码组转换到相邻码组时在边界上所产生的错码的可能。因此，格雷码是一种错误少的编码方式，属于可靠性编码。格雷码是无权码，每一位码没有确定的大小，因此不能直接进行大小比较和算术运算，要利用格雷码进行定位还必须经过码制转换变成纯二进制码，再由上位机读取和运算。

绝对式编码器仅能在单圈范围里进行绝对位置的检测，其测量角位移的范围只限于360°以内，因此当位移量超出一圈范围时，它也不能进行绝对位置的检测。这就产生了多圈编码器。

多圈编码器利用钟表齿轮机械传动的原理在单圈式编码器基础上改进而成。当中心码盘转动时，通过齿轮组带动表示转动圈数的码盘转动，同时检测圈数码盘和中心码盘的编码扩大了绝对式编码器的测量范围。

多圈编码器的另一个优点是由于测量范围大，在安装时不必费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以，从而大大简化了安装调试难度。

绝对式编码器有固定零点，表示位置的信息代码又是唯一的，具有抗干扰能力强，停电后位置信息不会丢失，无累积误差等多重优点，在高精度的定位控制中得到了广泛的应用。绝对式编码器的缺点是制造工艺复杂，价格贵。

绝对式编码器输出的是多位数码，因此在结构上必须有多线输出（一位数据一根线），其与PLC的连接方式有并行输出和串行输出两种。并行输出就是直接将编码器的数位线接到输入口上，直接将编码器的数据送入到PLC。这种方式连接简单，输出即时，对于位数不多的绝对值编码器来说多数可以采用这种方式。这种方式的缺点是必须采用格雷码的绝对式编码器，原因如上所述。接口必须良好，传输距离一般在2m左右，而串行输出是一种采用通信方式来传输绝对式编码器数据的方式，这种方式必须要配置相应的接口设备才能完成。串行输出的最大特点是所用的传输线较少，传输距离远。

3.伪绝对式编码器

上述采用码制输出的绝对式编码器在欧美伺服控制系统里比较常用，但在日系伺服控制系统中大都使用一种称为伪绝对式的增量编码器。这种伪绝对式编码器的中心码盘仍然为一增量式编码器，在此基础上仿造多圈绝对式编码器增加了记录中心码盘旋转次数的附加码盘。在具体使用上则与真正意义上的绝对式编码器有较大差别。

对于增量式编码器来说，如果其零点位置确认，（即零点脉冲固定，这点可以用和Z相脉冲相对应的那个脉冲来确定），那么在360°范围内，转过零点的输出脉冲的增量脉冲数就表示了其运动位置的绝对数据。同样，超出一圈后可以用记录到的圈数和中心码盘转过零点脉冲的增量脉冲数来表示。这就是伪绝对式编码器的基本工作原理。

当伺服系统使用这种伪绝对式编码器时必须在任何情况下都要保存位置数据（圈数和增量脉冲数）。一旦断电，编码器本身不能反映其位置数据信息，所以必须在编码电路上增加后备电池和储存器，储存器用来保持位置数据信息，而后备电池则是用来保证系统断电后信息不会丢失的。同时，在首次开机、电池不及时更换和编码器的传输线断开时都必须重新进行一次原点回归（对零点脉冲固定）操作。

对于三菱伺服控制系统来说，除了上面所述之外，在重新上电后必须按规定的接线方式立即把位置数据信息通过ABS指令传送给PLC的当前值数据寄存器。关于ABS指令的功能及应用详见第3章绝对位置读取指令ABS。 vYRZfoxsjiOSKP36JqS8Y3F2aIhB5ghAKI6yqlys6wAqppSWRm6Qt+hTVECG9Yzl