多圈绝对值增量编码器.docx

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多圈绝对值增量编码器

电子增量计圈，通过电池记忆圈数，实际上是单圈绝对，多圈增量，好处是省掉了一组机械齿轮，经济、体积小且没有圈数限制，似乎也不错，但是他毕竟是多圈增量的，不能算真正意义上的绝对值，什么是真正意义上的绝对值？

就是不依赖于前次历史的直接读数。

它在停电后，由于电池低功耗的要求，移动的速度与范围其实是有限制的，另外加上电池的因数，可靠性方面还是要有疑问的，例如高速中的漏圈、干扰中的错圈、正好在12点钟位置的抖动错圈、电池失效错圈。

尤其是如果计圈的失误，反而无法找到原来的绝对位置。

   事实上，很多人理解用绝对值，都是停电后移动的问题，却不了解德国人在运动控制中用机械真多圈绝对值的真正用意，由于真正的绝对值是不依赖于前次历史的直接读数，那么，在高速中，跟本不用担心丢数据，在运动控制中，也不需要一直去跟读编码器的数值，再加上EnDat等快速通讯，可以节省出大量的时间来完成其他的运算，从而来解决高速同步，多轴联动等问题。

   另外，上面说到，机械多圈绝对值，其停电后可移动位置是1/2圈数，例如4096圈中的2048圈，而不是4096圈，因为停电后的移动是可能正转或反转，考虑到绝对值的唯一性，可移动位置是实际是2048圈。

 关于传感器的分辨与精度的理解，可以用我们所用的机械指针式手表来打这样一个比喻：

时针的

分辨率是小时，分针的分辨率是分钟，秒针的分辨率是秒。

眼睛反应快的，通过秒针在秒间隙中运动

，我们大概能分辨至约0.3秒，这是三针式机械手表都可能做到的。

而精度是什么呢？

就是每个手表

对标准时间的准确性，这是每个手表都不相同的（有越走越快的，有越走越慢的。

大致都是精确在1

至30秒之间）。

           同样的，在旋转编码器的使用中，分辨率与精度是完全不同的两个概念。

     一、编码器的分辨率：

是指编码可读取并输出的最小角度变化。

对应参数有：

每圈刻线数（Line）、每转脉冲数（PPR）、最小步距（Step）、位（Bit）等。

　　　　线（Line）：

就编码器的码盘光学刻线数（如图）。

　　　　　如果这些刻线是直接以方波形式输出的，那么这一转（圈）刻线的脉冲数（PPR）就是编

码器的单转（圈）“分辨率”。

跟据电子电路工艺上的不同和现实中的要求，就出现了A、B、Z三相

信号输出（如图）。

      由于A、B两相信号相差1/4的脉冲周期，通过A、B相的上升下降沿对比判断，就可以获得1/4脉冲周期的变化“步距”（4倍频），这就是最小测量步距（Step）了。

跟据步距（Step）算编码器的单圈分辨率就又有了新的算法就是：

4倍PPR（即：

4倍刻线数）。

         不过现实中我们还是以“刻线数”来表示编码器的分辨率，在通讯数据输出型编码器或绝对值编码器，其分辨率是以多少“位”（即：

2的幂次方）来表示。

         还有严格地讲，方波最高只能做4倍频，虽然有人用时差法可以分得更细，但那基本不是

增量编码器推荐的，更高的分频要用增量脉冲信号是SIN/COS类正余弦的信号来做，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（PPR）。

分频的倍数实际是有限制的，首先，模数转换有时间响应问题，模数转换的速度

与分辨的精确度是一对矛盾，不可能无限细分，分的过细，响应与精准度就有问题；其次，原编码器

的刻线精度，输出的类正余弦信号本身一致性、波形完美度是有限的，分的过细，只会把原来码盘的

误差暴露得更明显，而带来错误。

细分做起来容易，但要做好却很难，其一方面取决于原始码盘的刻

线精度与输出波形完美度，另一方面取决于细分电路的响应速度与分辨精准度。

         例如：

德国海德汉的ROD486编码器，3600刻线数---方波输出（即：

3600ppr）。

一个“脉

冲周期”刚好是0.1个角度（0.1度），通过A、B相位差4倍频后，可得0.025度的测量步距。

而其精度

为18"（对应0.005度）

                  计算方式：

360角度/3600ppr=0.1度/4倍频＝0.025度

               德国海德汉的ROD486编码器，3600刻线数---正余弦信号输出，可进行25倍电子细

分获得90000ppr的脉冲。

脉冲周期为0.004度，通过A、B相4倍频后可获得0.001度的最小测量步距。

而其原始编码器的精度也是18"（对应0.005度，不含细分误差）

                  计算方式：

360角度/3600*25PPR＝0.004度/4倍频＝0.001度                

               德国海德汉的工业编码器，推荐的最佳电子细分是20倍，更高的细分是其推荐的精

度更高的角度编码器，但要求旋转的速度是很低的。

   二、编码器的精度：

是指编码器输出的信号数据与被测量物理量的真实数据的误差和准确度。

对

应参数有：

角分（＇）、角秒（＂）。

   三、精度与分辨率的关系

       编码器的精度与分辨率有点关系，但也不只是与分辨率有关系。

实际上影响编码器的精度，

包括“分辨率”有以下四部分要素。

       1、光学部分：

                 1>光学码盘---每圈刻线数、母板精度、刻线精度、刻线宽度一致性、边缘精整

性等

                 2>光发射源---光的平行与一致性、光衰减

                 3>光接收单元---读取夹角、读取响应

       2、机械部分：

                 1>轴的加工精度与安装精度

                 2>轴承的精度与安装精度（双轴承结构可有效降低单个轴承的偏差）

                 3>码盘安装的同心度、光学组件安装的精度

       3、电气部分：

                 1>电源稳定性---对光的发射源与接收单元的影响

                 2>读取响应与电气处理电路带来的误差（包括“电子细分”也会带来误差）

       4、使用中的安装与传输接收部分：

                 1>与测量转轴连接的同心度

                 2>转出电缆的抗干扰能力与信号延迟

                 3>接收设备的响应与接收设备内部处理可能的误差

   综上所述：

编码器的精度与分辨率有一点关系；例如：

德国海德汉ROD400系列，其5000线以下的

“精度”为刻线宽度的1/20,但这仅仅只是光学部分的刻线数（刻线数越多、越密，精度越高）。

不

过也不能只看这一点，比如以下例子就与分辨率无关了，例如：

还是德国海德汉的ROD400系列5000-

10000线的“精度”为12"-15"，角度编码器9000-36000线的、200系列的精度都是5"，700系列的为2"

，800系列的为1"，900系列的为0.4"　

今天，和大家谈谈编码器的等级，希望大家可以从编码器的等级来了解编码器的差别。

编码器根据使用情况，大致可分为商用级与芯片级、经济级、标准工业级、各类特殊工业使用级。

商用级与芯片级：

比如打印机，磁卡机内部的编码器，构造简单，很多外壳都没有的，几乎不用谈温度、防尘防水和电磁兼容的，价格极其便宜。

芯片级：

价格很低，目前国外一些半导体芯片厂家提供，或下游厂家简单封装的，无外壳或简单外壳，电源和信号仅简单处理，适用于厂家二次电路开发，接收线路距离编码器不宜超过50cm，一些流量计、阀门电调厂家选用此等级，该类编码器的防护与电磁兼容抗干扰，应由二次开发的厂家去兼顾的，如不了解，较易造成损坏。

经济级与工业级：

经济级的已有简单封装与简单处理，适用于单机设备，例如绣花机类的，但经济级的特点就是与工业级比较的经济性，其设计与选材都定位在经济实惠上，并不适合大型设备、流水线和工程项目，而工业级的设计、选材与检测都是按标准工业要求做的，适合于各种工业设备、流水线和工程项目，两种级别的典型区别，可从外观和参数表上看到的差别如下：

1．             轴承

经济级的转轴轴承为单轴承，（芯片级的有些都不用滚珠轴承），有些经济级的轴承外部是由卡子固定，可以看到卡簧（如下图），有些较聪明,轴承前面加个零件遮住了卡簧，单轴承的在使用一段时间后，由于受力支撑的单一，精度自然就难以保证了，密封性也差些。

而工业级的是双滚珠轴承结构，多平衡支撑点，轴的精密性、抗冲击性、密封性都要高。

双轴承的结构，对于轴的加工精度和安装精度要求很高，因为如果精度不够，因两个轴承的相互作用，转起来就有“卡”的感觉，所以拿着轴转一下，也可以感觉到轴的精密性。

奇怪的是，有些标称“高精度”的编码器，轴承也是单轴承方法，其“高精度”在长期使用下，我不知是如何保证的。

2．             外壳封装

经济级的外壳封装依赖于三个螺丝固定（在编码器的外壳外径上如有三个螺丝固定，由于螺丝的顶入，而造成外圆轻微变形而不圆，会影响密封性能），而工业级的外壳没有螺丝固定，密封是挤压式+O型密封圈一次密封的。

有些用户以为工作环境没有尘、水汽的问题，怎么还会损坏呢？

其实编码器在使用中，必然有开机与停机的变化中，由于热胀冷缩的温差而造成内外气压差，防护等级差的编码器，会产生“呼吸性”水汽，由于压差水汽吸入编码器，因时间的积累而损坏光学组件和电气线路，影响使用或损坏编码器，较典型的是用一段时间不准或信号不稳定。

而有些编码器在较高温度下使用出现问题，以为是温度问题，实际却是密封性问题。

3．温度等级

经济级的一般只有-10度~60度，一般不会超过70度，而工业级的工作温度一般为零下20度~70度，好的为零下25度~80度的。

温度等级其实反映的是内部零件选用的等级，大家要知道，一般民用级电子零件的温度大部分是到55度或60度，而到70度以上的优级工业级零件价格常常就会贵一倍以上，不同的等级不仅仅是温度问题，而且是其在使用中反映的失效概率。

而宽范围不仅仅是可适用于这些极限温度范围，而且抗温度冲击波动的能力好。

有些用户以为使用的环境到不了这些温度极限范围，55度就够了，但他们忽视了开机关机等温度冲击波动可能对器件的损坏，以及内部芯片的失效概率。

4．输出信号与电源

经济级的输出大部分是集电极开路的PNP或NPN，电源与信号没有极性保护和短路保护，集电极开路输出为单边非平衡形。

抗干扰与信号远传要差，在有些工况下使用，尤其是工程型，其实是很不适用的。

而工业级的输出是推挽式（兼顾PNP与NPN），或差分驱动的平衡输出，或其他标准工业信号。

例如SSI信号，有些经济级的也标为SSI，但那个并非标准工业级RS422的SSI，买回来连起来才发现不对；工业级的电源为10-30Vdc，长距离压降衰减不影响，信号线往往带短路保护。

很多工业现场电源会有短瞬间的不稳定，宽电源很重要，确保编码器工作不受影响，而极性短路保护可避免工程及检修中的接错线、偶发事故而损坏编码器。

5．电磁兼容性

经济级电磁兼容等级不是很高，基本没有为此的特别设计，而工业级电磁兼容性EMC一般要达到二级以上，（必须有检测标准及提供检测证书），包括浪涌、快速脉冲群、静电等标准测试，这些指标，关系到编码器在复杂电气环境下的稳定工作。

6．内部零件：

内部零件从外观上和参数表上无法看到，工业级的往往集成化、模块化高，线路板贴片式焊接，有三防处理。

7．检测程序与标准及最后的成本：

标准工业级编码器，由于构造设计及零部件的选用，零部件成本可能是经济级编码器成本的几倍以上，再加上检测程序与标准均高于经济级，所以，工业级的编码器的成本远高于经济的。

各类特殊工业使用级：

比如防爆等级、汽车电子等级、高温等级（大于100度）、防浸水等级、超重载等级等，由于各自的工况要求不同而专门设计，在此不一一赘述。

不同级别的编码器可能差价很大，从几十元到几千元的不等，源于不同的等级的编码器设计使用目标不同，选材成本与加工、检测成本相差很大。

用户可根据使用的要求选择编码器，而非仅相信进口还是国产，或某某品牌中间商的宣传。

如果没有正确的选型，即使买的是某某“进口”品牌，也会有怎么也“这么容易坏”或“不准”的问题。

翻开很多公司的样本，可能不同等级的产品都有，价格差别也很大，但商家往往并不特别注明，而很多进口代理商甚至厂家，打着进口的品牌，拿低等级的编码器推荐给客户当标准工业等级用，从而损害用户利益，使之在使用上存在品质风险。

现在国内使用的很多日韩编码器和一些欧洲杂牌的编码器就可能只是经济等级的，尤其是日韩的一些品牌，经济型等级在中国重点推广，用户需要了解清楚

编码器安装零点位置的找寻和计算

2009-03-1913:

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增量值编码器一般每圈提供一个z相（零位）信号，而绝对值编码器每个位置唯一，同样也有一个零位，那么，编码器在使用中如何确定零位呢？

一般有如下几种方式：

一。

编码器轴转动找零，编码器在安装时，旋转转轴对应零位，一般增量值与单圈绝对值会用这种方法，而轴套型的编码器也用这种方法。

缺点，零点不太好找，精度较低。

二。

与上面方法相当，只是编码器外壳旋转找零，这主要是对于一些紧凑型安装的同步法兰（也有叫伺服法兰）外壳所用，如图：

三。

通电移动安装机械对零，通电将安装的机械移动到对应的编码器零位对应位置安装。

（伺服中带U/V/W信号的多用这种方法，关于这个题目，中国工控网论坛上的波恩网友有一篇很好的介绍，推荐给大家：

四。

偏置计算，机械和编码器都不需要找零，根据编码器读数与实际位置的偏差计算，获得偏置量，以后编码器读数后减去这个偏置量。

例如编码器的读数为100，而实际位置是90，计算下在实际位置0位时，编码器的读数应该是10，而这个“10”就是偏置量，以后编码器读到的数，减去这个偏置量就是位置值。

可重复多次，修正偏置量。

对于增量值编码器，是读取原始机械零位到第一个Z点的读数，作为偏置量。

精度较高的编码器，或者量程较大的绝对值多圈编码器，多用这种方法。

五。

智能化外部置零，有些带智能化功能的编码器，可提供外部置位功能，例如通过编码器附带的按键，或外带的软件设置功能置零。

而我们提供的最新的Easypro®的智能化绝对值编码器，提供了一根外部置位线，将这个线与编码器供电的正电源短触一下，编码器此时的位置就是预先定好的预置位置（预置可以是零，也可以是其他事先约定的位置）。

六。

             需要说明的是，绝对值编码器的零位再往下就是编码的循环最大值，无论是单圈绝对值，还是多圈绝对值，如果置零位，那么再往下（下滑、移动，惯性过冲等），就可能数据一下子跳到最大了，对于高位数的绝对值多圈，可能数据会溢出原来的设定范围。

另外，绝对值编码器还有一个旋转方向的问题，置零后，如果方向不对，是从0跳到最大，然后由大变小的。

一些进口的编码器尽管带有外部置零功能，但建议还是不要用此功能。

（我们碰到很多用进口绝对值编码器会碰到这样的困惑，不要就迷信进口的）。

七。

             最好的置位方法，是上面介绍的智能化Easypro®编码器，预置一个非零位（留下下滑、过冲的余量）并预置旋转方向+偏置计算的方法。

另外一种方法是置“中”，偏置量就是中点值，置位线与电源正相触后，编码器输出的就是中点位置，这样的行程是+/-半全程，在这样的行程范围内，无论旋转方向，确保不会经过零点跳变，我们的绝对值SSi输出编码器就是这种方法，事实证明，这两种方法，优于某些进口品牌的置0的方法，给客户带来了方便，所以，也不要太迷信进口的，我们有的功能和服务，是可以做的比进口更好的。

上篇，今天讲讲编码器的电子开关频率

在增量型编码器的选型中，还有个重要的问题就是开关频率问题，无论是编码器还是接收设备，这都是一个重要的参数。

前面介绍了，增量编码器码盘是由很多光栅刻线组成的，有两个（或4个的）光眼读取A,B信号的，刻线的密度决定了这个增量型编码器的分辨率，而编码器读取并输出这个刻线的频率称为电子开关频率，由于受光学器件与电子放大器件的限制，对于每个增量型编码器，这个频率fmax是有上限的。

就好比火车，启动时慢慢开，我们还能辨别车窗内的旅客，开得快了，我们只能看到一节节车皮了。

以f来表示开关频率，n来表示转速，Z来表示分辨率（每圈脉冲数），其关系如图：

fmax就是编码器参数给出的最大电子开关频率，由此可以计算出在选不同的分辨率下，可以得到的最大工作转速，注意，一般编码器也有一个最大机械转速参数，那是指编码器的轴承等机械可以承受的转速。

在接收设备端，同样由于受电子器件的限制，有一个频率上限问题，这就是大家经常提到的普通计数模块与高速计数模块问题，以提供的公式，计算出接收设备所需要的电子频率，正确选型，以确保信号读取的准确。

特别需要说明的是，并不是接收设备的开关频率越高越好，频率越高，接收设备对信号的频宽开的门就越大，抗干扰问题就越严重了，我曾经接到一个用户的电话，在汽车厂的运动控制系统中，接收的运动控制卡的接收频率是1MHz，其现场的抗干扰问题就困惑了他很长时间。

绝对值编码器的开关频率与增量值编码器的开关频率的不同：

绝对值编码器也有开关频率参数（或称响应频率），包括其接收设备，绝对值编码器也有工作转速参数，但是，绝对值编码器的开关频率与增量型编码器的开关频率在理解的概念上有根本的不同！

增量值编码器转速高于最高工作转速，超出频率，信号就会丢失，而产生不可恢复的错误，须重新找参考点。

而绝对值编码器的转速如高于可读取的最高转速，信号读取只是当前的精度性错误，（编码器低位的分辨率最高的码道几位不准确，其高位的码道刻线密度不高，读取不受影响），等转速下来，其自动恢复，不需要再找参考点；同时绝对值编码器的信号输出频率是其固有的刷新频率，与转速的快慢无关，这是与增量值编码器有根本不同的，这是绝对值编码器又一个突出的优点。

所以，绝对值编码器可用于短时间的高速状态。

显然，这个限制同时与分辨率（刻线的密度）、转速（刻线的变化速度）有关。

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增量编码器信号的连接

（一）--信号的匹配形式

2009-03-1913:

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                          信号输出的匹配：

增量编码器的连接，首先最重要的是清楚编码器的信号输出形式与接收设备的匹配问题。

选编码器或选接收设备一定要两者信号形式的匹配。

增量编码器的信号输出从波形上看，分正余弦输出（sin/cos）与方波输出两种。

（图）

1．正余弦输出（sin/cos）的信号是模拟量变化的信号周期，又分电压输出1Vpp和电流输出11uApp，这两种输出一般PLC都没有接口，大部分是连接专用的运动控制卡，其内部可做细分而获得更高的分辨率和动态特性，也有连接专用的细分盒再细分后输出方波的，选型时搞清楚是电压输出还是电流输出（现在大部分是电压输出了）。

2．方波输出的也有分集电极开路输出（NPN或PNP）、电压输出、差分长线驱动、推挽式输出等。

2．1集电极开路输出就是类晶体管放大电路，三极管放大集电极开路输出，依据三极管的极性，分NPN与PNP，后接收设备选型要匹配不可选错，这种输出电路简单经济，但选型面窄，传递距离根据放大管有远有近，但总体传递距离不远，且保护不够，较易损坏，大部分用在单机设备上而不是工程项目中。

这种输出的电压依据供电，有5—12V输出和12-24V输出，这也要搞清楚才能确保信号的连接。

      2．2电压输出，就是在集电极开路输出的反相增加一个电阻，构成一个极性是PNP或NPN,而另一个极性是电压，实际上就是NPN+电压或PNP+电压，这是针对是PNP的或NPN的形式的接收设备的一种权宜，便于两者都可以连接，但现在这种电压接口往往已经做在了经济型PLC上了，如果是那样的PLC，还是应该直接选集电极开路输出的，或电压型的极性相当的编码器，因为如果选电压输出型的编码器PNP+电压的，而连接的PLC是NPN+电压的，就会有漏电流而产生错误。

2．3差分长线驱动（linedrive）,（有的欧洲的编码器用TTL5V来表示，是相对于后面介绍的HTL的），这是一种差分放大电路，大部分是5V，提供A+、B+、Z+及其180度反相的A-、B-、Z-，读取时，以A+与A-的差分值读取，对于共摸干扰有抑制作用，传递距离较远，由于抗干扰能力较强，在运动控制（数控机床）中用得较多。

2．4推挽式放大，有的欧洲的编码器用HTL表示，其相当于NPN+PNP的推挽放大，而且大部分有标准的集成放大电路，根据供电，输出有10—30V，对于接收设备的兼容性强，信号强而稳定，如果再有与差分长线驱动一样有反相信号的话，因信号电压高，传递最远，差分传递及接收，抗干扰最好，工程项目或大型设备中，首选推挽式输出，而在较远传递或大变频电机工况下，又要选具有反相输出的推挽式输出编码器（例如ABB变频控制器，就有这样的接口：

A+/A-,B+/B-,Z+/Z-）。

增量编码器的分辨率、倍频与细分

2009-03-1913:

12

增量编码器的分辨率、倍频与细分。

前面介绍了，增量编码器码盘是由很多光栅刻线组成的，有两个（或4个,以后讨论4个光眼的）光眼读取A,B信号的，刻线的密度决定了这个增量型编码器的分辨率，也就是可以分辨读取的最小变化角度值。

代表增量编码器的分辨率的参数是PPR,也就是每转脉冲数，例如每圈刻线360线,A，B每圈各输出360个脉冲，分辨率参数就是360PPR。

那么这个编码器可分辨的最小角度变化量是多少度呢？

就是1度吗？

增量编码器的A/B输出的波形一般有两种，一种是有陡直上升沿和陡直下降沿的方波信号，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度相位，如果A是类正弦Sin曲线，那B就是类余弦Cos曲线。

对于方波信号，A,B两相相差90度相（1/4T），这样，在0度相位角，90度，180度，270度相位角,这四个位置有上升沿和下降沿，这样,实际上在1/4T方波周期就可以有角度变化的判断，这样1/4的T周期就是最小测量步距，通过电路对于这些上升沿与下降沿的判断,可以4倍于PPR读取角度的变化,这就是方波的四倍频。

这种判断，也可以用逻辑来做，0代表低，1代表高，A/B两相在一个周期内变化是00，01，11，10。

这种判断不仅可以4倍频，还可以判断旋转方向。

那么，方波信号的最小分辨角度=360度/（4xPPR）。

前面的问题：

一个方波A/B输出360PPR的增量编码器，最小分辨角度=0.25度。

严格地讲，方波最高只能做4倍频，虽然有人用时差法可以分的更细，但那基本不是增量编码器推荐的，更高的分频要用增量脉冲信号是SIN/COS类正余弦的信号来做，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（PPR）。

分频的倍数实际是有限制的，首先，模数转换有时间响应问题，模数转换的速度与分辨的精确度是一对矛盾，不可能无限细分，分的过细，响应与精准度就有问题；其次，原编码器的刻线精度，输出的类正余弦信号本身一致性、波形完美度是有限的，分的过细，只会把原来码盘的误差暴露得更明显，而带来误差。

细分做起来容易，但要做好却很难，其一方面取决于原始码盘的刻线精度与输出波形完美度，另一方面取决于细分电路的