旋转编码器介绍及应用

旋转编码器是一种旋转型的角位移检测装置，在数控机床中得到了广泛的使用。旋转编码器通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，直接将被测角位移转换成数字（脉冲）信号，所以也称为旋转脉冲编码器，这种测量方式没有累积误差。旋转编码器也可用来检测速度。

1.旋转编码器的分类和结构

旋转编码器是一种旋转型脉冲发生器，其作用是把机械转角转化为脉冲，是数控机床上应用广泛的位置检测装置。同时，也作为速度检测装置用于速度检测。

根据旋转编码器的结构，旋转编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。从精度和可靠性方面来看，光电式编码器优于其他两种。数控机床上常用的是光电式编码器。

旋转编码器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分的。数控机床上常用的旋转编码器每转的脉冲数有2 000 p/r、2 500 p/r和3 000 p/r等。在高速、高精度的数字伺服系统中，应用高分辨率的旋转编码器，如20 000 p/r、25 000 p/r和30 000 p/r等。

2.光电式旋转编码器的工作原理

光电式旋转编码器由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（图7-26）。光电盘用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量为几百到几千条。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。

为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错开1/4节距，使两个光电元件输出信号相位差90°。如图7-27所示，A、B信号为具有90°相位差的正弦波，经放大和整形后变为方波A1、B1。

图7-26　光电式旋转编码器的结构

图7-27　光电式旋转编码器的输出波形

设A相比B相超前时为正方向旋转，则B相超前A相就是负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，即轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。

旋转编码器输出信号有等信号，这些信号作为位移测量脉冲，以及经过频率/电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。

3.绝对式编码器

增量式编码器只能进行相对测量，一旦在测量过程中出现计数错误，在以后的测量中会出现计数误差，而绝对式编码器克服了其缺点。(www.xing528.com)

1）绝对式编码器的种类

绝对式编码器是一种直接编码和直接测量的位置检测装置，它能指示绝对位置，没有累积误差，即使电源切断后位置信息也不丢失。常用的绝对式编码器有编码盘和编码尺，统称码盘。

从编码器使用的计数制来分类，绝对式编码器有二进制编码、二进制循环码（葛莱码）、二—十进制码等编码器。从结构原理来分类，绝对式编码器有接触式、光电式和电磁式等。常用的绝对式编码器是光电式二进制循环码编码器。

图7-28所示为绝对式编码盘结构示意图。图7-28（a）所示为二进制码盘，图7-28（b）所示为葛莱码盘。码盘上有许多同心圆（码道），它代表某种计数制的一位，每个同心圆上有绝缘与导电的部分。导电部分为“1”，绝缘部分为“0”，这样就组成了不同的图案。每一径向，若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值。二进制码盘计数图案的改变按二进制规律变化。葛莱码盘的计数图案的切换每次只改变一位，误差可以控制在一个单位内。

图7-28　绝对式编码盘结构示意

（a）二进制码盘；（b）葛莱码盘

接触式码盘可以做到9位二进制，优点是结构简单、体积小、输出信号强、无须放大；缺点是由于电刷的摩擦，使用寿命低，转速不能太高。

光电式码盘没有接触磨损，寿命长、转速高、精度高。单个码盘可以做到18位进制。其缺点是结构复杂、价格高。

电磁式码盘是在导磁性好的软铁等圆盘上，用腐蚀的方法作成相应码制的凹凸图形，当磁通通过码盘时，由于磁导大小不一样，其感应电压也不同，因而可以区分“0”和“1”，达到测量的目的。该种码盘也是一种无接触式码盘，寿命长、转速高。

2）绝对式编码器的工作原理

无论是接触式码盘、光电式码盘还是电磁式码盘，当被测对象带动码盘一起转动时，每转动一转，编码器按规定的编码输出数字信号。最后将编码器的编码直接读出，转换成二进制信息，送入计算机处理。

3）混合式绝对式编码器

由上述可知，增量式编码器每转的输出脉冲多，测量精度高，但是能够产生计数误差。而绝对式编码器虽然没有计数误差，但是精度受到最低位（最外圆上）分段宽度的限制，其计数长度有限。为了得到更大的计数长度，将增量式编码器和绝对式编码器做在一起，形成混合式绝对式编码器。在圆盘的最外圆是高密度的增量条纹，中间有4个码道组成绝对式的4位葛莱码，每1/4同心圆被葛莱码分割为16个等分段。圆盘最里面有一发“一转信号”的狭缝。

该码盘的工作原理是三级计数：粗、中、精计数。码盘的转速由“一转脉冲”的计数表示。在一转内的角度位置由葛莱码的不同数值表示。每1/4圆葛莱码的细分由最外圆上的增量制码完成。