1.4.3 增量式编码器的使用

1.编码器主要电性能参数

增量式编码器的主要参数有下面几个：

1）电源电压

电源电压是指编码器外接电源电压，一般为DC5～DC24V。

2）分辨率

分辨率是指编码器每圈输出的脉冲数，俗称多少线。每一种型号的编码器都会做成不同分辨率的产品。线数越多，分辨率越高。分辨率较低的常用在计数和转速检测上，分辨率高的常用在定位控制中。一般分辨率在10～10 000线之间。

3）最高响应频率

最高响应频率是指编码器输出脉冲的最高频率，它限制了编码器实际使用的最高转速。

4）最高转速

最高转速是指编码器运行的最大转速，在不同的分辨率下，其运行转速不能超过下式。

5）信号输出方式

信号输出方式指编码器所输出的脉冲波形式，有单脉冲信号输出、A-B相带原点信号输出、双相带原点信号输出、差分线驱动信号输出等，详见后述。

6）输出信号类型

输出信号类型是指编码器信号电子电路的输出形式，有集体极开路输出、电压输出、推挽输出和差分驱动输出等，详见后述。

2.增量编码器的分辨率、倍频与细分技术

在1.2节伺服电动机和伺服驱动器中曾说明过编码器发出的脉冲经过4倍频电路后送入偏差计数器。除了倍频，编码器还可以进行细分，获得更高的分辨率。

增量编码器的A/B输出波形一般有两种，一种是有陡直上升沿和陡直下降沿的方波信号，另一种是缓慢上升与下降，波形类似正弦曲线的sin/cos曲线波形信号输出，A与B相差1/4T周期90°相位，如果A是类正弦sin曲线，那B就是类余弦cos曲线。

对增量脉冲信号是sin/cos类正余弦的信号来说，后续电路可通过读取波形相位的变化用模数转换电路来细分5倍、10倍、20倍，甚至100倍以上，分好后再以方波波形输出。细分后输出A/B/Z方波的还可以再次4倍频。这就是为什么某些伺服电动机编码器分辨率做得很高的原因。例如，三菱MR-J3伺服驱动器的编码器分辨率为131 072（2的17次方）。实际上，其原始刻线可以是2048线（2的11次方，11位），通过16倍（4位）细分得到32 768的分辨率（2的15次方，15位），再经4倍频（2位）得到131 072的分辨率（2的17次方，17位）。

但是，细分对于编码器的旋转速度是有要求的，一般都较低。另外，如原始码盘的刻线精度不高、波形不完美，或细分电路本身的限制，细分也会波形严重失真、大小步、丢步等，使用时需注意，不要被它的“17位”所迷惑。

3.编码器输出信号的方式

不同型号的增量式编码器，其输出脉冲的方式也不相同。简述如下。

1）单脉冲输出

单脉冲输出仅输出一个占空比为50%的脉冲波形，如图1-42所示。单脉冲输出的编码器分辨率较低，仅有几十线。用在脉冲计数和转速测量上较多。

2）A-B相脉冲输出

使用最多的增量式编码器输出是A、B、Z三相脉冲输出，也有的只输出A、B两相脉冲。A、B、Z三相脉冲的输出波形如图1-43所示。Z相脉冲信号也叫零位标志脉冲，码盘每转动一周发出一个Z相脉冲，它作为码盘的基准标志而给计数系统提供一个初始零位信号。

由图可知，A、B两相脉冲输出是在相位上相差90°的正交脉冲。如果编码器的旋转方向不同，A、B两相的超前滞后关系也不同，据此可以判别编码器的旋转方向。增量型编码器旋转方向的定义是：从其轴端方向看，顺时针转动为正转，此时A相脉冲超前B相脉冲90°，其判别是B相脉冲的上升沿落在A相脉冲里。逆时针转动为反转，此时B相脉冲超前A相脉冲90°。B相脉冲的下降沿落在A相脉冲内，如图1-44所示。

3）差分线性驱动脉冲输出

差分线性驱动输出为一对互为反相的两个信号，如图1-45所示。这种输出信号由于取消了信号地线，对以共模方式出现的干扰信号有很强的抗干扰能力。在工业环境应用中，因能传输更长距离而获得越来越广泛的应用。

4.编码器输出信号类型

1）集电极开路输出

集电极开路输出是电子开关、各种电子设备的电子输出端口最常用的电路输出方式。其电路输出是把晶体管的发射极作为公共端，而集电极悬空输出的电路。根据所用晶体管的不同，又分为NPN集电极开路输出（见图1-46（a））和PNP集电极开路输出（见图1-46（b））。两种输出的区别在于NPN为电流从外面流入晶体管，而PNP则为电流从晶体管流出。

2）电压输出

电压输出是在集电极输出电路的基础上，在电源和集电极之间接上一个电阻（俗称上拉电阻），使集电极输出电压比较稳定，如图1-47所示。

3）互补推挽输出

互补推挽输出是利用NPN和PNP两个晶体管轮流导通而输出高/低电平的电路，与模拟电路推挽功率放大电路类似。图1-48中，当NPN管导通时，输出低电平，此时PNP管为关断状态，反之输出为高电平时，则PNP管导通，而NPN管为关断状态。互补推挽输出电路的优点是，既可与NPN型集电极输入的设备连接也可与PNP型集电极输入的设备连接，且传输距离也较集电极开路输出的稍长一些。

4）差分线性驱动输出

差分线性驱动输出电路是产生差分线性驱动输出脉冲信号的电路。其利用集成运算放大器产生相位相反的一组脉冲信号A和A反，如图1-49所示，采用的是RS-422标准。这种电路输出的信号必须是具有差分输入电路的设备才能接收的。其抗干扰性能很强，传输距离远比上述电路都长。

5.编码器的应用

1）做转速测量用

编码器实际上就是一个脉冲发生器。它与普通电子脉冲发生器不同的是，需要外力带动它转动才能输出脉冲。它的应用也常常与带动它转动的物体有关。

编码器的一个重要应用就是测量旋转体的转速。用编码器检测转速有两种方法。

（1）在高速时，一般采用输出脉冲计数法。

如图1-50所示，即在某个时段时间Ts内对编码器输出脉冲进行计数，假设编码器一周脉冲数为n，在时间Ts内输出脉冲个数为m，则其转速N为：

（2）在低速时，则采用输入脉冲捕捉法。

引入一频率为f _c 的高速脉冲源，在编码器所发生的两个脉冲之间的时间内去捕捉频率为f _c 的高速脉冲个数m，如图1-51所示，假设编码器一周的脉冲数为n，捕捉到的脉冲数为m，则其转速N为：

2）做位置检测用

编码器的另一个重要应用是可以用于定位控制，如图1-52所示。当伺服电动机通过驱动轮带动输送带前进时，如果驱动轮周长为L，编码器一圈脉冲数为n，则在输送带上的位移距离d可转换成编码器输出脉冲数P，其关系为：

当控制器接收到编码器送来的脉冲数达到P时及时停止电动机转动。这种定长控制方法远比用行程开关控制精度要高得多。

同样，如在机床主轴末端和主轴相连接一编码器，则工作台行走距离完全可以转换成编码器脉冲数。如图1-53所示，如设定工作台向右移动为正方向，当工作台向左移动时，编码器则发出反向脉冲，而且编码器的Z相脉冲还可作为工作点的原点位置检测用。

3）做伺服系统反馈元件用

在闭环伺服控制系统中，编码器常和伺服电动机轴端相连，这时编码器实际发出的脉冲数常常代表伺服电动机在一圈中的相对位置被反馈到伺服驱动器中，和控制器发来的指令脉冲进行比较而控制伺服电动机的运行，这时编码器是作为闭环反馈元件使用的。这一点在上面的章节中均有所阐述，这里不再重复。

6.编码器接线

1）做脉冲发生器用

增量式编码器经常用作高速脉冲输出，它可以连接计数器、PLC、单片机等。对三菱FX系列PLC来说，其中A、B相脉冲信号输出典型连接如图1-54所示。

FX系列PLC的内部高速计数器有4种类型，其中能够连接A、B相脉冲输入的高速计数器为C251～C255，而脉冲输入端口只能是X0～X7，并且规定，C251、C252、C254的输入端口A相为X0，B相为X1，如图1-54所示。C253、C255的输入端口A相为X3，B相为X4。关于FX系列PLC的高速计数器及其应用可参看《三菱FX _2N PLC功能指令详解》一书的第12章，这里不再详述。

由于编码器有不同的输出方式，因此在和PLC连接时，必须考虑到PLC的信号输入方式，两者必须相配合才行。

2）做伺服系统反馈元件用

在伺服控制中，编码器是与伺服电动机连接在一起的，它与伺服驱动器的连接是用专用电缆连接的，不需要考虑它的接线，如图1-55所示。如果还要与PLC相连，则由驱动器的另一端口出线相连。详细讲解请参看本书第6章。

7.编码器检测

增量式编码器可以用万用表（指针式）初步检测它的好坏。方法是：给编码器通电，用万用表相应直流电压挡量测A、B、C三相的输出电压，用手缓慢转动编码器的轴。A、B相应该是指针在一定范围内来回摆动，而Z相在一圈内仅摆动一次。如果某相不发生摆动，则说明该相已经损坏。

初步检测后，最好再用示波器观察输出波形，检测波形是否失真，脉冲是否缺失，A、B相是否相位差为90°等。

8.编码器安装和维护

编码器属于高精度机电一体化设备，其安装必须十分注意，关键是在任何情况下都要保证编码器的轴/径向负载不要超过额定范围，所有的编码器都装有负载轴承，轴承的寿命取决于编码器轴上的负载，减小编码器轴上的负载可以确保编码器的使用寿命，对实心轴编码器来说，如果编码器轴和用户轴之间采用刚性连接，则在安装过程中两者之间有任何偏移，或因用户轴的窜动、跳动都会有很高的负载作用在编码器轴上，从而造成编码器轴系和码盘的损坏。为了避免产生超额的负载，编码器轴与用户端输出轴之间需要采用弹性软连接，弹性联轴器可以消除轴间偏移量，消除振动和轴向位移。

对空心轴编码器来说，在大部分情况下，编码器都直接与机器轴采用刚性连接，在这种情况下编码器外壳不能和机器刚性连接。为保证编码器外壳不随轴而旋转，应采用弹性支架或定位销连接，这样既能固定编码器又可以削减机器的振动。编码器安装完成后所有的旋转部件，如轴、联轴器、测量轮和支架等都必须加以防护。

安装时严禁敲击和摔打碰撞，以免损坏轴系和码盘，长期使用时要定期检查固定编码器的螺钉是否松动。

电气方面，开机前应仔细检查产品说明书与编码器型号是否相符、接线是否正确。配线时应采用屏蔽电缆，避免在强电磁波环境中使用，配线之前要确保已经关掉电源。应避免电缆与高压或动力线并行配线，接地端的选择原则是：在电路中接地端必须是唯一的，如果系统中其他元件需要接地，则必须是单独地连接到此唯一的接地端上等。

在编码器使用时，环境是对编码器寿命的一个显著影响因素，使用时要注意周围有无振源及干扰源，不是防漏结构的编码器不要溅上水、油等，必要时要加上防护罩，注意环境温度、湿度是否在仪器使用要求范围内。 DLtmiDqLUOk6LH8TSTrwLiD7PeOR6eXCAtmWRRiAKipYJcc4gBgAxVuaIjID10kc