旋转编码器的原理是什么？增量式和绝对式有什么区别？

2021-08-24

以下文章来源于罗罗日记 ，作者罗罗日记

先给出结论，最重要的区别在于：增量式编码器没有记忆，断电重启必须回到参考零位，才能找到需要的位置，而绝对式编码器，有记忆，断电重启不用回到零位，即可知道目标所在的位置。

接下来细说一下，主要包含如下的内容：
1.增量式旋转编码器的工作原理是什么？
2.绝对式旋转编码器的工作原理是什么？
3.增量式和绝对式旋转编码器有哪些不同？
4.单圈绝对式和多圈绝对式编码器有什么不同？
5.选择编码器，需要考虑的最重要的因素有哪3点？
6.编码器的实际应用举例。
一、电机与编码器
作为机械设计人员，我们在选电机时，非常注重电机的扭矩和尺寸，因为这直接决定了电机是否能按规定的运动模式拖动负载，能不能很好地布置在有限的空间之中。
但在精密机械设计中，其实还有一个和扭矩及尺寸同等重要的参数，那就是分辨率。
说起分辨率，很多时候，在电机参数中，可以看到一组数据，例如2000Count/Turn＝2000脉冲/圈，和17bit/33bit等。
对旋转电机有所了解的朋友都知道，2000C/T，这其实是说，这个电机带有一个增量式编码器，转一圈对应着2000个脉冲，所以该编码器的分辨率是360/2000=0.18度。
由于相对式编码器通常可以做4倍频（后面我会解释为什么），所以2000C/T的分辨率可以变成0.18°/4＝0.045度。
而17bit/33bit则是在说，这个电机带有一个17位的多圈绝对编码器。
那么问题来了，绝对式编码器和增量式编码器原理上有什么区别？应用上有什么区别？绝对式编码器为什么用二进制表示分辨率？单圈和多圈绝对式编码器有什么区别？
我想，弄清楚这几个问题，对于电机或者需要用到旋转编码器的地方，心里就不会像过去那样模模糊糊，而是会清晰明了地，直接选择合适的编码器。
这也是我本次理清编码器这个基本概念的目的。
二、旋转编码器的类型和优缺点
现在市面上通常有三种编码器：光学编码器（Optical Encoder），磁编码器（Magnetic Encoder），和电容式编码器（Capacitive Encoder）。
光学编码器

在光学编码器中，黑色线条会挡住光线；透明窗口使光线穿过码盘（或者在码盘上反射）到达传感器。当传感器接收到光时，输出高电平，而当光被阻挡时，输出低电平。
磁编码器

磁编码器的内部有一系列磁极交替排列的旋转磁铁，还有一个检测磁场位置的传感器。
电容式编码器

电容式编码器内部，包含一个发射高频信号的发射器，一个对信号进行调制的转子，以及一个将信号转换并发送给运动控制器的接收器。
光学编码器是最常用，也是精度最高的一种，但同时其价格也最高。
光学编码器相对磁和电容编码器来说，更容易受到环境的影响，比如在低温下使用光学编码器，如果环境温度急剧上升，可能在光学码盘上形成凝雾，这会导致读不到信号或者信号扭曲。
磁编码器就不那么容易受到环境的影响，但是由于其天然的非线性，磁编码器不如光学编码器的精度高。它们通常用于灰尘，蒸汽，振动和其他可能干扰光学编码器性能的环境中。
同时在各种液体环境下，磁编码器也可以工作，磁编码器使用的功耗也比光学编码器少。
电容编码器是工业自动化相对较新的事物，这种编码器与磁编码器一样耐环境，但也无法实现光学编码器的高分辨率和准确性。
三、 增量式旋转编码器的工作原理是什么
要理解增量式编码器（Incremental Encoder）和绝对式编码器（Absolute Encoder）之间的区别，首先要明白他们的工作原理，对吗。
增量式编码器的工作原理是什么？
这里以用得最多的光学编码器为例来说明。
先放一张图。

增量式光学编码器的构成

如上图，该系统包含一个码盘，以及位于码盘一侧的LED光源，和位于其另外一侧的光电探测器芯片Detector Chip。
码盘上有一系列的黑色标线和透明窗口，黑色标线不透光，而窗口是可以透光的。
LED光经过透镜（Lens）后，形成平行光，打在码盘上，光线在黑色刻线处被阻挡，而在透明窗口处穿过码盘，照射到下面的感应器感应区域。
感应器上有两个区域是可以感应信号的，一个是Index Sensor Area，也就是起始零位感应区域，一个是位置信号变化感应区域A/B Sensor Area。
零位感应也叫Home，有的地方也叫Zero，把它探测所产生的信号叫Z信号。
并不是所有的增量式编码器都有参考零位，比如有些传送带上的应用就不需要，而有的增量式编码器有不止一个参考零位，这里不过多地讨论，感兴趣的可以自己去了解一下。
LED光线通过码盘窗口，透射到另外一侧的感应器感应区域。码盘旋转，固定的感应器便可以读取到光的这种交替变化模式，进而将位置信息报告回机械系统。
感应器所产生的波形如下图，是重复的方波（有的编码器传送正弦波或者余弦波），且高电平和低电平占用时间相同，因为码盘上的不透明刻线和透明窗口间隔的角度相同，一个黑线和一个透明扇区域构成一个周期，对应着波形图中的一个低电平和一个高电平，也就是一个360度电周期。
增量式编码器波形图



为什么波形图中有两个通道，一个A，一个B？用来干什么？
细心的你，也许从刚刚前面那张图就发现了，A/B Sensor Area就是产生两个通道信号的原因。
怎么解释呢，再来一张细节图。
增量式编码器原理细节图
从上面这张图中可以看出，光电感应器A和感应器B并没有在同一半径方向上，而是有一个角度错位，错位多少呢，刚好是一个刻线所占据角度的一半，也就是1/4物理周期。
我们知道，如果只有一个感应器A，那么当触发零位后，感应器A就开始计数了，每经过一个黑线和一个透明线，波形就形成一个低电平和一个高电平，也就是一个周期，但是它并不知道码盘的旋转方向，可能是逆时针旋转，也可能是顺时针旋转。
所以，感应器B加入的目的就很明显了：和感应器A配合，用于判断码盘的旋转方向。
因为A和B错位1/4物理周期，（也就是相差90度电脉冲周期，所以也叫做正交脉冲，英文是Quadrature，我们常听到的A-Quad-B就是从这儿来的），所以光线会先后透射过透明窗口，打在感应器A和B上，形成1/4个周期差。
例如，如果顺时针旋转，A领先于B四分之一周期，那么逆时针旋转，A必然滞后于B四分之一周期。从而可以根据A领先于B，还是滞后于B来判断旋转方向。
OK，到这里，我们理解了增量式编码器的工作原理：通过Index找到零位，通过脉冲数目计算旋转角度，通过AB通道的相对滞后性判断旋转方向，通过波形所占据的时间，或者波的脉冲频率来判断速度。
再仔细想一下，AB通道相差1/4周期，还可以用来干什么？
或许你已经猜到，就是我在一开始就说到的4倍频（倍乘）分辨率。
怎么实现呢？
看波形图吧。
增量式编码器倍频方法
这里，以每圈100个物理周期码盘来举例。
一倍乘X1：码盘旋转时，如果我们计算通道A脉冲的每个上升沿（由0变成5V），则每转将获得100个脉冲。
2倍乘X2：码盘旋转时，如果我们计算通道A的每个上升沿和每个下降沿（由5V变成0），则每个周期将获得2个脉冲，每转总计200个脉冲。
4倍乘X4：如果我们计算通道A和通道B的每个上升沿和下降沿，则每个物理周期将获得4个脉冲，每转总计400个脉冲。
因为增量式编码器的物理刻线相距角度一样，本质上来说，它是通过计算脉冲数量，来计算旋转角度的。
同样的一圈，不同的倍频法得到的每圈脉冲数不同，显然4倍频得到的分辨率最高。
这就是分辨率4倍频的原理。
所以2000C/T的分辨率可以变成0.18°/4＝0.045度。
但是需要明白的是，这个4倍乘，并没有改变码盘的物理刻线之间的角度，仅仅是电脉冲数量的变化，而且这个倍乘通常是在控制器或者计数器中完成的，信号质量好，可靠。
如果在不改变码盘条件下，还想获得更高的分辨率，怎么办？
可以用Interpolation，也就是信号插值。
插值示意图
插值的含义是什么呢？我理解得也不是很多，但是数学上来说，插值就是通过已知的数据，去预测未知的数据。
在编码器应用中，因为实际的位置，可能位于黑色刻线和透明窗口之间，插值就可以得到这些位置的值，从而获得更高的分辨率。
理论上，插值可以获得无限的分辨率，但是过高的插值也会引入新的问题，例如信号容易受到电噪声的影响从而降低精度，需要与之相匹配的驱动和控制器，大量的数据处理需要花费更多的时间，需要更快的响应等。
目前，我在某供应商的产品目录中，看到最高的插值倍数是20000倍，分辨率达到0.002arcsec。当然，这个码盘也很大，外径达到206mm，一圈的物理周期是32400（也就是32400 Line Count）。
这个码盘的物理分辨率是：360/32400＝0.01111°，插值后分辨率是：0.01111/20000*3600=0.002arcsec，这里除以3600是单位的换算。这款编码器安装后能实现的精度是±1arcsec＝±1/3600°。
四、 绝对式旋转编码器的工作原理是什么？
绝对式编码器的工作原理和增量式有所不同。
怎么个不同法？
分饼游戏开始了。
还是先看一张图。
绝对式旋转编码器的原理
这个图是一个16位绝对式编码器示意图。整圈被分成了16份，也就是有16个扇区。
它和增量式编码器的图相似，但是又有一点不一样：在半径方向上，每一个扇区又被分成了4份。
LED光从码盘一侧照射下来，相应地，在码盘另外一侧有一个探测芯片，探测芯片有4个感应区，每个感应区，可以获取同一个扇区每一份的状态。
透明的窗口，光线穿过去，感应区感应到信号，不透明的区域，光线无法穿过，感应区无法感应到。
如果把有感应和无感应看成是两种状态，分别用1和0表示，那么每一个感应区可以表示2种状态。
进而，同一个扇区中这4份（4位），可以表示2^4=16种状态，这也是为什么这个码盘在圆周方向上被分为了16份，其实相当于对每一个位置进行了编码，每个编码对应着一个特定的位置。
可能你也想问，能不能在半径方向分4份，而在圆周方向多分几份。多分没有意义，因为半径方向只有4位，无法表示更多的位置。少分又不能充分利用好感应到的状态总数，所以分成2^4＝16份刚刚好。
比如下面这幅图，从左到右可以分别表示0001, 0101, 1100，用十进制表示就是第1, 第5，第12个位置。

绝对式编码器编码方法
0101转换成10进制：0*2^3+1*2^2+0*2^1+1*2^0=5。1100转换成10进制：1*2^3+1*2^2+0*2^1+0*2^0=12。
到这里，我们基本上明白了绝对式编码器的原理：对每一个位置，给定一个唯一的编码，再用传感器去识别每个位置的编码，输出与之相对应的唯一信号，用来表示特定的位置。

如果要获得更高的分辨率，那么就需要更多的编码位数，也就是需要在圆周方向上，刻上更多的特定编码（这通常都会加大码盘）。
比如需要17位，也就是2^17=131072个位置，那么就需要131072个不同的编码，这时的分辨率是360/131072＝0.00275°。
当然，并不是每个厂家的编码方法，都和上面这个例子一样。有的厂家不在半径方向上划分，只在圆周方向上划分，但是基本理念是一样的，就是用唯一的编码表示唯一的位置。
这就是绝对式编码器的核心思想。
刚刚说完了编码方法，那么绝对式编码器输出的波形图和增量式有什么不同呢？
还是以光学绝对编码器为例来说明，一个典型的绝对编码器输出波形如下，右图。
这里使用的是脉冲带宽调制（PWM＝Pulse Width Modulation）。

绝对式编码器波形图
一个10位绝对编码器可以输出2^10＝1024个独特编码，在图中怎么表示每一个特定的位置呢？
用脉冲宽度来表示。
例如，起始零位，用一个最小的脉冲宽度1微秒来表示这个位置。在180°，用512微秒的脉冲带宽来表示。
类似地，对于其他的位置，用不同的脉冲宽度来表示，当码盘旋转，越来越长的脉冲带宽被传递。
顺便说一下，上图左边，是一个绝对式磁编码器的波形图，它是用电压的高低来表示不同的位置。
这些波形信息，按照控制系统的配置，可以通过不同的通信接口，传递给控制器，用来做反馈控制。
五、 绝对式单圈和多圈编码器有什么不同？
绝对式编码器又分为单圈和多圈，即Single-Turn Absolute Encoder和Multi-Turn Absolute Encoder。

单圈和多圈绝对式编码器示意图
单圈很好理解，就像钟表中只有分针，一圈一圈地不停转，60分钟之后，表重置，并不记录旋转的圈数，在这里，也就是不知道是几个小时。
多圈，就像是钟表中即有分针，还有时针。在任何时刻，分钟和小时数都可以被读取。
所以多圈编码器可以记录很多很多圈。
实际的多圈编码器，常用3种方法来实现圈数记录。
第一种，就像上面那张图一样，在编码器内部，用机械齿轮耦合多个轴，用来计算总的圈数，这种方法，因为用到了机械齿轮，所以会带来磨损，使得精度降低，同时机械齿轮会占用很多空间，所以编码器尺寸偏大。
第二种，就是用电子计数器和电容器，来计算总共转过的圈数，但是代价是需要在编码器内部安装电池，而且需要定期检查电池。
第三种，在一些磁编码器中，采用韦根金线（Wiegand wire），并利用韦根效应来计数（Wiegand effect）。这种编码器没有太多机械结构件，可以做得很小。
韦根效应，也是我在了解编码器的过程中才知道的，所以多做一点说明。
 
韦根效应图
韦根金线，它由一种特殊的合金制成，具有硬磁（永磁，不易退磁）的金属外壳和软磁（容易退磁和磁化）的金属芯。韦根线表现出具有两个明显不连续的磁滞曲线，称为韦根效应。
在适当磁场强度的作用下，韦根线芯磁场会反向，其磁场和和外硬层相同或者相反，让处在附近的线圈产生一个脉冲，该脉冲的大小和形状与外部磁场变化的速度无关，磁编码器就是利用这个脉冲来记录转动的圈数，并把数据写入稳定的存储器中。
当然，单圈编码器也可以通过信号重复的次数，来计算旋转的圈数，但是就没有多圈编码器那么直接。
单圈编码器，如果转了超过一圈，断电重启后，不知道转了几圈，也就是说，不知道绝对位置的。
这个特性，决定了单圈绝对编码器只适用于开机需要绝对位置，但是在运转过程中，旋转不满一圈的应用中。
而多圈编码器，是有圈数物理绝对位置记录的，所以，多圈相对于单圈可以获得更长更远的绝对位置。
但是与此同时，关于多圈编码器，又出现了一个新的问题。
如果旋转的圈数超过了它的总记录容量会发生什么？
这时，圈数会溢出，要么重新计数，要么驱动器和控制器提供一种特殊的位置跟踪，称为“模数定位”，它可以存储任何溢出运动，即超出记录圈数的旋转部分，并使用此信息提供准确的定位。
到此，我们重新理解了单圈和多圈编码器的区别：单圈只能记录一圈之内的运动，多圈可以记录很长的旋转或者直线位移。
好了。
现在我们回过头去看一下，在文章一开始就提到的17bit/33bit。
这是什么含义？相信你从上面的解释中，已经明白了。
17bit/33bit的含义是：17bit就是说每转一圈有2^17=131072个脉冲，而33bit表示总共的脉冲位数是2^33=2^17*2^16，那么这个多圈编码器可以记录33-17=16bit＝2^16=65536圈。
这里计算分辨率要注意，它的分辨率只和一圈的脉冲数有关，而和总的圈数无关，也就是说这个编码器的分辨率是360/131072=0.00275度。
如果一个马达使用了这个编码器，用此马达驱动滚珠丝杠，运动一圈前进5毫米，那么理论上的分辨率就是：5mm/131072cnt=0.038um/cnt。
当然，实际分辨率肯定要比这个低，毕竟滚珠丝杠系统也是有间隙的，而且大多数时候，机械系统的间隙才是整个系统的短板。
六、增量式编码器和绝对式编码器有什么不同？包括原理，价格，应用等

原始的编码器

通过上面的解释，我们理解了增量和绝对式两种旋转编码器的工作原理。
绝对式旋转编码器的原理和增量式的原理类似，都是通过传感器来读取码盘上明暗相间的刻线获得脉冲，根据脉冲数目来表示位置。
不同的是，绝对式编码器，断电可以记住当前位置，即使断电后有机械移位，通电后也知道移动到哪里去了，因为绝对式编码器对每一个位置，有一个唯一的编码。
而增量式编码器不同，它没有记忆，断电后重启，需要找到参考点后，才能找回需要的位置。
增量式编码器很适合用于确定速度，距离或运动方向。
如果需要在断电重启时就知道位置，那么就需要绝对式编码器了。
例如，如果你要设计机械臂，在断电后可能没有足够的空间或灵活性，使其无法移动到原始位置，在这种情况下，需要使用绝对编码器。
这是从技术角度说明两者的不同。
但是其实从成本，应用方面来看，两者也有不同之处，我就不多探讨了，直接给出结果。
有如下的这个表格：

七、选择编码器，最重要的参考因素有哪3点？
1.开机是否需要知道绝对位置，用来决定选择增量式还是绝对式。实际运行过程中可能的旋转圈数，用来决定多圈还是单圈编码器。

2.精度要求，分辨率要求，决定编码器的分辨率选择。

3.最大速度。分辨率选定，需要结合最大速度计算编码器产生信号的频率。编码器输出的频率，需要比控制器或者计数器能够接受的最大输入频率低，否则需要重新选择编码器，重新匹配。另外编码器本身也有最大转速要求。

4.价格。结合预算考虑价格。

5.安装方式。轴孔安装，空间大小评估，安装公差要求，出线的方向等。

6.外围环境。灰尘，湿度，温度，振动，电磁环境等，决定编码器的选择类型和信号线的屏蔽等，例如选择光学式，还是磁式，还是电容式，选择屏蔽线还是非屏蔽线等。
当然，实际选择时，如果有不太确定的地方，一定有一个办法可以帮你解决问题。
那就是联系你的供应商，说出你的问题，毕竟他们是专业的，很多时候，他们可以给你一些很好的选择建议，这个时候，往往也是很好的学习机会。
关于编码器，如果要深挖的话，还有很多话题的，比如噪声的来源，如何控制噪声等。


分享