角度编码器分类及应用分析

角度编码器是一种高精度的角位移传感器，因其具有直接输出数宇量、响应快、精度高、抗干扰能力强、分辨率高、输出稳定等特点。

角度编码器有两种基本类型：绝对式编码器和增量式编码器。

1.绝对式编码器

绝对式编码器是按照角度直接进行编码的传感器，可直接把被测转角用数宇代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。

（1）接触式编码器 图3-18所示为一个4位二进制接触式码盘。它在一个不导电基体上做成许多有规律的导电金属区，其中阴影部分为导电区，用“1”表示，其他部分为绝缘区，用“0”表示。码盘分成4个码道，在每个码道上都有一个电刷，电刷经取样电阻接地，信号从电阻上取出。这样，无论码盘处在哪个角度上，该角度均有4个码道上的“1”和“0”组成4位二进制编码与之对应。码盘最里面一圈轨道是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，接激励电源E的正极。

图3-18 4位二进制接触式码盘

a）电刷在码盘上的位置 b）4位二进制码盘 c）4位格雷码码盘

1—码盘 2—导电体 3—绝缘体 4—电刷 5—激励公用轨道

由于码盘是与被测转轴连在一起的，而电刷位置是固定的，当码盘随被测轴一起转动时，电刷和码盘的位置就发生相对变化。若电刷接触到导电区域，则该回路中的取样电阻上有电流流过，产生压降，输出为“1”；反之，若电刷接触的是绝缘区域，则不能形成回路，取样电阻上无电流流过，输出为“0”，由此可根据电刷的位置得到由“1”、“0”组成的4位二进制码。例如，在图3-18b中可以看到，此时的输出为0101。

从以上分析可知，码道的圈数（不包括最里面的公用码道）就是二进制的位数，巨高位在内，低位在外。由此可以推断出，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，巨圆周均分2ⁿ个数据来分别表示其不同位置，所能分辨的角度α和分辨率为

α＝360°/2ⁿ （3-4）

分辨率＝1/2ⁿ （3-5）

显然，位数n越大，所能分辨的角度α就越小，测量精度就越高。所以，若要提高分辨率，就必须增加码道数，即二进制位数。例如，某12码道的绝对式角编码器，其每圈的位置数为2¹²＝4096，分辨角度为α＝360°/2¹²＝5.27′；若为13码道，则每转位置数为2¹³＝8192，分辨角度为α＝360°/2¹³＝2.67′。

另外，在实际应用中，对码盘制作和电刷安装要求十分严格，否则就会产生非单值性误差。例如，当电刷由位置（0111）向位置（1000）过渡时，若电刷安装位置不准或接触不良，可能会出现8~15之间的任意十进制数。为了消除这种非单值性误差，可采用二进制循环码盘（格雷码盘）。

图3-18c为一个4位格雷码盘，与图3-18b所示的BCD码盘相比，不同之处在于，码盘旋转时，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，所以每次只切换一位数，可把误差控制在最小单位内。

（2）绝对式光电编码器 绝对式光电编码器与接触式编码器结构相似，只是其中的黑白区域不表示导电区和绝缘区，而是表示透光或不透光区。其中黑的区域为不透光区，用“0”表示；白的区域为透光区，用“1”表示。这样，在任意角度都有对应的二进制编码。与接触式编码盘不同的是，不必在最里面一圈设置公用码道，同时取代电刷的，是在每一码道上都有一组光电元件，如图3-19所示。

由于径向各码道的透光和不透光，使各光敏元件中，受光的输出“1”电平，不受光的输出“0”电平，由此而组成n位二进制编码。(www.xing528.com)

图3-19 绝对式光电码盘

a）光电编码器的平面结构 b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）

光电码盘的特点是没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，精度也较高。就码盘材料而言，不锈钢薄板所制成的光电码盘要比玻璃码盘抗振性好、耐不洁环境，但由于槽数受限，所以分辨率较玻璃码盘低。

2.增量式编码器

增量式编码器通常为光电码盘，结构形式如图3-20所示。

光电码盘与转轴连在一起。码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘制成向心透光狭缝。透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。这样，整个码盘圆周上就等分成n个透光的槽。除此之外，增量式光电码盘也可用不锈钢薄板制成，然后在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽，其余部分均不透光。

光电码盘的光源最常用的是自身有聚光效果的LED。当光电码盘随工作轴一起转动时，在光源的照射下，透过光电码盘和光栏板狭缝形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电脉冲信号，通过信号处理电路的整形、放冲信号，通过信号处理电路的整形、放大、细分、辨向后，输出脉冲信号。

图3-20 增量式光电码盘结构示意图

1—转轴2—LED 3—光栏板 4—零标志位光槽 5—光敏元件 6—码盘 7—电源及信号线连接座

光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即分辨角度为

α＝360°/n （3-6）

分辨率＝1/n （3-7）

【实例3-1】已知增量式光电编码器的条纹数为1024，求最小分辨角度。

解：该编码器分辨的最小角度α＝360°/1024＝0.352°。

为了得到码盘转动的绝对位置，还须设置一个基准点，如图3-20中的“零标志位光槽”，又称“一转脉冲”。为了判断码盘旋转的方向，需要在光栏板上设置两组光敏元件，即A、B光敏元件，其输出波形如图3-21所示，A相与B相在相位上相差1/4T。