Technical Support

编码器概述

编码器是一种安装在电机轴上的机电装置，通过输出数字脉冲来跟踪和反馈电机的速度与位置。其核心工作原理是：通过统计编码器产生的脉冲数量，可以计算出电机当前位置相对于上次已知位置的位移，从而验证电机是否精确到达目标位置。

编码器的基本结构包含一个发光器、一个边缘刻有狭缝的圆盘（码盘）以及一个光接收器。当码盘随电机轴旋转时，狭缝会将持续的静态光源切割成一系列闪光。光接收器检测这些明暗变化，并将其转换为数字方波脉冲信号输出至主控制器。若编码器与电机的步进分辨率匹配，则电机每运动一步，编码器便产生一个对应脉冲。

一、 增量式编码器

1. 工作原理与输出信号增量式编码器通过在运动过程中产生一系列脉冲来工作。其码盘上刻有均匀分布的狭缝，当轴旋转时，固定的光电拾取装置会检测到通过的光线变化，输出连续的脉冲序列。标准增量式编码器通常提供两路相位差为90°的方波信号（通道A与通道B），即“正交信号”。这两路信号的相位关系用于精确判定旋转方向。

2. 位置信息的相对性与断电丢失问题增量式编码器输出的是相对位移信息，而非绝对位置。系统通电后，编码器开始计数并输出脉冲，由外部的计数器或控制器累积脉冲数以计算当前位置。然而，一旦断电，脉冲输出停止，外部存储的计数值若没有备份电源便会丢失。重新上电后，编码器无法自动获知轴的当前位置，计数值将从零开始。

3. 归零（回参考点）操作的必要性由于上述特性，使用增量式编码器的系统在每次启动或断电重启后，都必须执行一次“归零”操作。该操作通常驱动电机移动，直至触发一个预设的物理参考点（如限位开关、磁开关或码盘上的Z相索引脉冲）。找到该点后，系统将位置计数器复位或设置为已知值，以此作为后续所有运动的绝对参考基准。

4. 优缺点与应用

• 优点：结构相对简单、成本较低、可靠性高。

• 缺点：断电后位置信息丢失，需依赖归零操作；抗干扰能力相对较弱，噪声脉冲可能被误计入位置。

• 解决方案：对于需断电保持位置的应用，可配备备用电池，为计数器或存储单元供电。

二、 绝对式编码器

1. 核心原理：唯一的绝对位置编码绝对式编码器的根本特征在于，其码盘上的每一处机械位置都被赋予一个唯一的数字代码。这通常通过在码盘上制作多条同心码道（每道代表一个二进制位）并配合多组独立的光电传感器实现。因此，即使在静止或断电状态下，其输出信号也直接对应轴所在的绝对角度。

2. 断电位置保持与上电即用由于位置信息由码盘的物理图案唯一决定，绝对式编码器在断电后不会丢失位置。系统重新上电时，控制器可立即读取当前的绝对位置代码，无需执行任何归零操作，实现了“上电即用”，极大提高了设备启动效率和安全性。

3. 单圈与多圈类型

• 单圈绝对式编码器：在轴旋转360°范围内提供唯一位置值，适用于行程小于一圈的应用。

• 多圈绝对式编码器：不仅在一圈内提供唯一值，还通过内部齿轮箱或电子计数装置记录旋转圈数，可在多圈范围内（如4096圈）提供全局绝对位置，适用于长行程定位。

  

4. 信号与优势

• 输出代码：通常采用格雷码，其相邻位置仅一位变化，可有效防止读数错误。

• 抗干扰能力：位置由即时读取的码盘图案决定，偶然的电噪声脉冲不会被累积，抗干扰性强。

• 高安全性与灵活性：通电瞬间即可验证位置，避免了因未知位置启动带来的风险；支持以任意点作为编程参考点，系统设计更灵活。

  

三、 机械绝对式编码器（磁电式）

这是一种基于磁传感原理的新型绝对位置检测方案，兼具断电记忆和高环境耐受性。

1. 单圈位置检测原理其核心是一个安装在电机轴中心的特殊复合磁铁（中心为双极磁化，外围为多极磁化）以及对应的磁阻传感器。传感器通过读取中心磁场的方向获得粗略的绝对角度（如分辨至180°），同时通过检测外围高密度磁场的相位变化获得高分辨率的角度细分。二者结合，即可计算出精确的单圈绝对位置。

2. 多圈位置检测原理为实现多圈绝对位置检测，该系统引入了一套精密的齿轮系。主齿轮安装在电机轴上，其后连接一系列具有特定齿数比的减速齿轮组，每个齿轮都配有独立的磁铁和传感器。

• 工作原理：当电机轴旋转时，各齿轮以不同的速度转动，其上的磁铁产生与齿轮位置相关的、唯一的相位差组合。系统检测每个齿轮的磁通相位，通过解析这一组相位差的组合，即可唯一确定电机轴在多达数千圈范围内的绝对机械位置。

• 设计特点：齿轮的齿数经过特殊设计，使得相位差组合在达到最大检测圈数（如1800圈）后才会重复，从而保证了位置代码的唯一性。齿轮仅用于检测，无动力负载，采用自润滑树脂材料，寿命长。

3. 核心优势与应用场景

• 无需电池，永久记忆：位置信息由机械齿轮的物理位置和磁铁图案决定，完全断电后信息永不丢失。

• 环境耐受性强：无精密光学部件，采用全封闭磁感应，对灰尘、油污、冷凝、振动和一定温度冲击的抵抗能力远超光学编码器。

• 成本与可靠性平衡：虽然分辨率可能不及顶级光学编码器，但其结构坚固、可靠耐用、无需维护电池的特点，使其成为对耐用性、安全性要求高且希望去除电池维护的工业应用的理想选择。

四，总结与选型参考

结论：对于开环步进电机或标准伺服系统，增量式编码器凭借其高性价比仍是主流选择。在需要“上电即用”、高安全性或复杂定位功能的场合，绝对式编码器必不可少。而在绝对式方案中，机械绝对式编码器以其无电池永久记忆和卓越的工业耐用性，为工程师提供了一种能够简化系统设计、提升长期可靠性的强劲替代方案。