編碼器

　　編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種；按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個(gè)電信號轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個(gè)位置對應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。
 

主要分類
 

編碼器可按以下方式來分類。
 

1、按碼盤的刻孔方式不同分類

（1）增量型：就是每轉(zhuǎn)過單位的角度就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(也有發(fā)正余弦信號，然后對其進(jìn)行細(xì)分，斬波出頻率更高的脈沖)，通常為A相、B相、Z相輸出，A相、B相為相互延遲1/4周期的脈沖輸出，根據(jù)延遲關(guān)系可以區(qū)別正反轉(zhuǎn)，而且通過取A相、B相的上升和下降沿可以進(jìn)行2或4倍頻；Z相為單圈脈沖，即每圈發(fā)出一個(gè)脈沖。
（2）絕對值型：就是對應(yīng)一圈，每個(gè)基準(zhǔn)的角度發(fā)出一個(gè)唯一與該角度對應(yīng)二進(jìn)制的數(shù)值，通過外部記圈器件可以進(jìn)行多個(gè)位置的記錄和測量。
 

2、按信號的輸出類型

分為：電壓輸出、集電極開路輸出、推拉互補(bǔ)輸出和長線驅(qū)動輸出。
 

3、以編碼器機(jī)械安裝形式分類

（1）有軸型：有軸型又可分為夾緊法蘭型、同步法蘭型和伺服安裝型等。
（2）軸套型：軸套型又可分為半空型、全空型和大口徑型等。
 

4、以編碼器工作原理

分為：光電式、磁電式和觸點(diǎn)電刷式。
 

常見故障
 

1、編碼器本身故障：是指編碼器本身元器件出現(xiàn)故障，導(dǎo)致其不能產(chǎn)生和輸出正確的波形。這種情況下需更換編碼器或維修其內(nèi)部器件。
 

2、編碼器連接電纜故障：這種故障出現(xiàn)的幾率 最高，維修中經(jīng)常遇到，應(yīng)是優(yōu)先考慮的因素。通常為編碼器電纜斷路、短路或接觸不良，這時(shí)需更換電纜或接頭。還應(yīng)特別注意是否是由于電纜固定不緊，造成松動引起開焊或斷路，這時(shí)需卡緊電纜。
 

3、編碼器+5V電源下降：是指+5V電源過低， 通常不能低于4.75V，造成過低的原因是供電電源故障或電源傳送電纜阻值偏大而引起損耗，這時(shí)需檢修電源或更換電纜。
 

4、絕對式編碼器電池電壓下降：這種故障通常有含義明確的報(bào)警，這時(shí)需更換電池，如果參考點(diǎn)位置記憶丟失，還須執(zhí)行重回參考點(diǎn)操作。
 

5、編碼器電纜屏蔽線未接或脫落：這會引入干擾信號，使波形不穩(wěn)定，影響通信的準(zhǔn)確性，必須保證屏蔽線可靠的焊接及接地。
 

6、編碼器安裝松動：這種故障會影響位置控制 精度，造成停止和移動中位置偏差量超差，甚至剛一開機(jī)即產(chǎn)生伺服系統(tǒng)過載報(bào)警，請?zhí)貏e注意。
 

7、光柵污染 這會使信號輸出幅度下降，必須用脫脂棉沾無水酒精輕輕擦除油污。

安裝使用
 

絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的機(jī)械安裝使用：
 

絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的機(jī)械安裝有高速端安裝、低速端安裝、輔助機(jī)械裝置安裝等多種形式。
 

高速端安裝：安裝于動力馬達(dá)轉(zhuǎn)軸端（或齒輪連接），此方法優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，由于多圈編碼器有4096圈，馬達(dá)轉(zhuǎn)動圈數(shù)在此量程范圍內(nèi)，可充分用足量程而提高分辨率，缺點(diǎn)是運(yùn)動物體通過減速齒輪后，來回程有齒輪間隙誤差，一般用于單向高精度控制定位，例如軋鋼的輥縫控制。另外編碼器直接安裝于高速端，馬達(dá)抖動須較小，不然易損壞編碼器。
 

低速端安裝：安裝于減速齒輪后，如卷揚(yáng)鋼絲繩卷筒的軸端或最后一節(jié)減速齒輪軸端，此方法已無齒輪來回程間隙，測量較直接，精度較高，此方法一般測量長距離定位，例如各種提升設(shè)備，送料小車定位等。
 

輔助機(jī)械安裝：常用的有齒輪齒條、鏈條皮帶、摩擦轉(zhuǎn)輪、收繩機(jī)械等。
 

接線方法
 

　　旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光電式旋轉(zhuǎn)測量裝置，它將被測的角位移直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（高速脈沖信號）。
編碼器如以信號原理來分，有增量型編碼器，絕對型編碼器。
　　我們通常用的是增量型編碼器，可將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖信號直接輸入給PLC，利用PLC的高速計(jì)數(shù)器對其脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得測量結(jié)果。不同型號的旋轉(zhuǎn)編碼器，其輸出脈沖的相數(shù)也不同，有的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出A、B、Z三相脈沖，有的只有A、B相兩相，最簡單的只有A相。
　　編碼器有5條引線，其中3條是脈沖輸出線，1條是COM端線，1條是電源線（OC門輸出型）。編碼器的電源可以是外接電源，也可直接使用PLC的DC24V電源。電源“-”端要與編碼器的COM端連接，“+ ”與編碼器的電源端連接。編碼器的COM端與PLC輸入COM端連接，A、B、Z兩相脈沖輸出線直接與PLC的輸入端連接，A、B為相差90度的脈沖，Z相信號在編碼器旋轉(zhuǎn)一圈只有一個(gè)脈沖，通常用來做零點(diǎn)的依據(jù)，連接時(shí)要注意PLC輸入的響應(yīng)時(shí)間。旋轉(zhuǎn)編碼器還有一條屏蔽線，使用時(shí)要將屏蔽線接地，提高抗干擾性。
　　編碼器-----------PLC
　　A-----------------X0
　　B-----------------X1
　　Z------------------X2
　　+24V------------+24V
　　COM------------- -24V-----------COM

工作原理

　　由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對于一個(gè)周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。
　　由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。
分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。

主要作用
 

　　它是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字脈沖信號的旋轉(zhuǎn)式傳感器，這些脈沖能用來控制角位移，如果編碼器與齒輪條或螺旋絲杠結(jié)合在一起，也可用于測量直線位移。
　　編碼器產(chǎn)生電信號后由數(shù)控制置CNC、可編程邏輯控制器PLC、控制系統(tǒng)等來處理。這些傳感器主要應(yīng)用在下列方面：機(jī)床、材料加工、電動機(jī)反饋系統(tǒng)以及測量和控制設(shè)備。在ELTRA編碼器中角位移的轉(zhuǎn)換采用了光電掃描原理。讀數(shù)系統(tǒng)是基于徑向分度盤的旋轉(zhuǎn)，該分度由交替的透光窗口和不透光窗口構(gòu)成的。此系統(tǒng)全部用一個(gè)紅外光源垂直照射，這樣光就把盤子上的圖像投射到接收器表面上，該接收器覆蓋著一層光柵，稱為準(zhǔn)直儀，它具有和光盤相同的窗口。接收器的工作是感受光盤轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的光變化，然后將光變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電變化。一般地，旋轉(zhuǎn)編碼器也能得到一個(gè)速度信號，這個(gè)信號要反饋給變頻器，從而調(diào)節(jié)變頻器的輸出數(shù)據(jù)。

故障現(xiàn)象：

1、旋轉(zhuǎn)編碼器壞（無輸出）時(shí)，變頻器不能正常工作，變得運(yùn)行速度很慢，而且一會兒變頻器保護(hù)，顯示“PG斷開”...聯(lián)合動作才能起作用。要使電信號上升到較高電平，并產(chǎn)生沒有任何干擾的方波脈沖，這就必須用電子電路來處理。編碼器pg接線與參數(shù)矢量變頻器與編碼器pg之間的連接方式，必須與編碼器pg的型號相對應(yīng)。一般而言，編碼器pg型號分差動輸出、集電極開路輸出和推挽輸出三種，其信號的傳遞方式必須考慮到變頻器pg卡的接口，因此選擇合適的pg卡型號或者設(shè)置合理.
 　　編碼器一般分為增量型與絕對型，它們存著最大的區(qū)別：在增量編碼器的情況下，位置是從零位標(biāo)記開始計(jì)算的脈沖數(shù)量確定的，而絕對型編碼器的位置是由輸出代碼的讀數(shù)確定的。在一圈里，每個(gè)位置的輸出代碼的讀數(shù)是唯一的；因此當(dāng)電源斷開時(shí)，絕對型編碼器并不與實(shí)際的位置分離。如果電源再次接通，那么位置讀數(shù)仍是當(dāng)前的，有效的；不像增量編碼器那樣，必須去尋找零位標(biāo)記。
　　現(xiàn)在編碼器的廠家生產(chǎn)的系列都很全，一般都是專用的，如電梯專用型編碼器、機(jī)床專用編碼器、伺服電機(jī)專用型編碼器等，并且編碼器都是智能型的，有各種并行接口可以與其它設(shè)備通訊。
編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。前者成為碼盤，后者稱碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．

　　接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；

　　非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”。
 

按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。

　　增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個(gè)電信號轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個(gè)位置對應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。
　　旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時(shí)輸出脈沖，通過計(jì)數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動，當(dāng)來電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn)，開機(jī)找零等方法。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。
　　絕對編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。
　　由于絕對編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。絕對型編碼器因其高精度，輸出位數(shù)較多，如仍用并行輸出，其每一位輸出信號必須確保連接很好，對于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來諸多不便和降低可靠性，因此，絕對編碼器在多位數(shù)輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出，德國生產(chǎn)的絕對型編碼器串行輸出最常用的是SSI（同步串行輸出）。
　　多圈絕對式編碼器。編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多，這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn)，將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，而大大簡化了安裝調(diào)試難度。多圈式絕對編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。

信號輸出
 

　　信號輸出有正弦波（電流或電壓），方波(TTL、HTL)，集電極開路(PNP、NPN)，推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動（對稱A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。
　　信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī),PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。
　　如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測速。
　　A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測速。
　　A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。
　　A、A-,B、B-,Z、Z-連接，由于帶有對稱負(fù)信號的連接，電流對于電纜貢獻(xiàn)的電磁場為0,衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。
　　對于TTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)150米。
　　對于HTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)300米。

發(fā)展市場
 

　　編碼器在OEM市場的應(yīng)用比例較高，主要應(yīng)用于機(jī)床、電梯、伺服電機(jī)配套、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、起重機(jī)械等行業(yè)。2010年，中國OEM市場的高速增長拉動了編碼器市場的迅猛增長,2010年中國編碼器市場的市場規(guī)模達(dá)到13億元，同比增長42.9%。
　　從行業(yè)來看，電梯、機(jī)床和伺服電機(jī)配套是編碼器的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，占整體應(yīng)用市場53%的市場份額。紡織機(jī)械、包裝機(jī)械和印刷機(jī)械等領(lǐng)域目前市場份額較小，編碼器一般不直接進(jìn)入這三個(gè)行業(yè)，編碼器生產(chǎn)企業(yè)的競爭主要集中在給這些機(jī)械行業(yè)提供伺服電機(jī)的電機(jī)生產(chǎn)廠環(huán)節(jié)。

　　起重機(jī)械目前市場份額也較小，僅占4%-5%。在冶金和電子行業(yè)等項(xiàng)目型行業(yè)，編碼器目前應(yīng)用比例較低，僅占14%的市場份額。此外，編碼器在醫(yī)療機(jī)械、風(fēng)電、汽車生產(chǎn)線、混合動力汽車、水利、軌道交通等領(lǐng)域也有一定應(yīng)用，但應(yīng)用比例較低。
　　2010年風(fēng)電行業(yè)自動化產(chǎn)品需求增長達(dá)到了50%以上，而電梯、伺服電機(jī)、紡織機(jī)械以及機(jī)床等編碼器的主要應(yīng)用領(lǐng)域增長也比較明顯，是拉動增長的主要來源。
　　從廠商來看，目前歐美品牌占據(jù)高端市場，占三分之一以上的市場份額，產(chǎn)品價(jià)格定位高端，在重工和風(fēng)電等新能源領(lǐng)域具有優(yōu)勢；日韓品牌主要占據(jù)中端市場，也占三分之一以上的市場份額，產(chǎn)品價(jià)格定位中端，在電梯、機(jī)床、伺服電機(jī)等行業(yè)應(yīng)用較為廣泛；而大陸企業(yè)主要參與中低端市場的競爭，產(chǎn)品價(jià)格較低，以占市場近半銷售量僅獲得25%的大陸市場銷售份額。
　　市場份額較高的企業(yè)包括Heidenhain、Tamagawa、Nemicon、Yuheng、Baumer、Rep、P+F、Danaher、Koyo、Omron等。其中前三名企業(yè)市場份額占市場總額的將近50%，市場集中度較高，各企業(yè)主要針對的應(yīng)用行業(yè)集中性較高、行業(yè)競爭較少。主流廠商業(yè)績增長幅度也有明顯差距，增長幅度最大的為60%，增長幅度最小的低于10%。
　　編碼器分為絕對值型和增量型。目前絕對值編碼器的價(jià)格大約是增量型編碼器的4倍以上，國內(nèi)市場上70%的應(yīng)用是價(jià)格相對經(jīng)濟(jì)的增量型編碼器，主要應(yīng)用在如包裝、紡織、電梯等行業(yè)中僅要求測量轉(zhuǎn)速及對絕對位置測量要求不高的機(jī)器設(shè)備上。而在高精度機(jī)械設(shè)備或鋼鐵、港口及起重等重工業(yè)行業(yè)，由于對測量的精度要求相對較高，更多情況會使用絕對值編碼器。在這些重工業(yè)行業(yè)應(yīng)用中，由于工況比較惡劣，所以對編碼器的抗沖擊和振動等指標(biāo)要求較高。
　　隨著機(jī)械設(shè)備自動化程度的提高，編碼器產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，客戶已不再滿足于編碼器僅能將物理的旋轉(zhuǎn)信號轉(zhuǎn)換為電信號，還要求編碼器集成度更高，產(chǎn)品更加耐用，并且希望能在絕對值編碼器中出現(xiàn)更豐富的接口方式，使更多的設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化。
　　目前整個(gè)工業(yè)市場中生產(chǎn)安全及通信安全越來越被重視，國家層面也開始對產(chǎn)品的安全性能提出要求，編碼器在安全標(biāo)準(zhǔn)方面也有相應(yīng)規(guī)范，但由于國內(nèi)編碼器市場對產(chǎn)品技術(shù)要求相對較低，客戶對中低端產(chǎn)品更為青睞。

選型注意
 

應(yīng)注意三方面的參數(shù)：
1、械安裝尺寸：包括定位止口，軸徑，安裝孔位;電纜出線方式;安裝空間體積;工作環(huán)境防護(hù)等級是否滿足要求。
2、分辨率：即編碼器工作時(shí)每圈輸出的脈沖數(shù)，是否滿足設(shè)計(jì)使用精度要求。
3、電氣接口：編碼器輸出方式常見有推拉輸出(F型HTL格式)，電壓輸出(E)，集電極開路(C，常見C為NPN型管輸出，C2為PNP型管輸出)，長線驅(qū)動器輸出。其輸出方式應(yīng)和其控制系統(tǒng)的接口電路相匹配。
 

優(yōu)缺點(diǎn)
 

光電編碼器

優(yōu)點(diǎn)：體積小，精密，本身分辨度可以很高，無接觸無磨損;同一品種既可檢測角度位移，又可在機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置幫助下檢測直線位移;多圈光電絕對編碼器可以檢測相當(dāng)長量程的直線位移(如25位多圈)。壽命長，安裝隨意，接口形式豐富，價(jià)格合理。成熟技術(shù)，多年前已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。
 

缺點(diǎn)：精密但對戶外及惡劣環(huán)境下使用提出較高的保護(hù)要求；量測直線位移需依賴機(jī)械裝置轉(zhuǎn)換，需消除機(jī)械間隙帶來的誤差；檢測軌道運(yùn)行物體難以克服滑差。
 

靜磁柵絕對編碼器

優(yōu)點(diǎn)：體積適中，直接測量直線位移，絕對數(shù)字編碼，理論量程沒有限制；無接觸無磨損，抗惡劣環(huán)境，可水下1000米使用；接口形式豐富，量測方式多樣；價(jià)格尚能接受。
 

缺點(diǎn)：分辨度1mm不高；測量直線和角度要使用不同品種；不適于在精小處實(shí)施位移檢測（大于260毫米）。