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编码器应用技术

编码器是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传播和存储信号形式设备，是集光、机、电技术于一体数字化传感器，可以高精度测量被测物转角或直线位移量。

1、编码器定义：
中文名称：编码器
英文名称：coder；encoder
定义：一种按照给定代码产生信息表达形式器件。

2、编码器分类：
（1）依照检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
（2）按测量方式分类，编码器可分为旋转编码器、直尺编码器
（3）依照读出方式，编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，用电刷接触导电区或绝缘区来表达代码状态是"1”还是“0”；非接触式接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表达代码状态是"1”还是"0”，通过"1”和“0”二进制编码来将采集来物理信号转换为机器码可读取电信号用以通讯、传播和储存。
（4）依照其刻度办法及信号输出形式或者信号原理或者编码方式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
咱们惯用这种分类办法区别编码器，并且混合式编码器也是由增量型和绝对值型组合而成，增量型和绝对型普通都应用于速度控制或位置控制系统检测元件，如下将重点讲述。

编码器控制转速原理：
ΔN=ND1(测量)-ND2(理论)，N为电机转速
当测出脉冲个数与计算出理论值有偏差时,可依照电压与脉冲个数相应关系计算出输出给伺服系统增量电压△U，通过D/A转换，再计算出增量脉冲个数，等下减去。当运营时间越长路线越长，离咱们预制路线偏离就多了。这时系统起动位置环，通过不断测量光电编码器每秒钟输出脉冲个数，并与原则值PD（抱负值）进行比较，计算出增量△P并将之转换成相应D/A输出数字量，通过控制器减少输个电机脉冲个数，在本来输出电压基本上减去增量，迫使电机转速降下来，当测出△P近似为零时停止调节，这样可将电机转速始终控制在容许范畴内。
编码器常规工作电压有如下几种：5V、12V、24V、5-24V（通用型）、5-30V
编码器常规防护性能：防油、防尘、抗震型。
弹性联接器：编码器轴与顾客轴联接时，存在同轴误差，严重时将损坏编码器。规定采用弹性联接器（编码器厂家提供选件），解决偏心问题，普通可以做到容许扭矩 <1N.m，不同轴度<0.2mm，轴向偏角 <1.5度。
弹性联轴器惯用规格为：
编码器端孔径(mm)
顾客端孔径(mm)
Φ4、5、6、8、10、15
Φ4、5、6、6.35、8、10、15

3、增量式编码器
增量式编码器（其中增量脉冲编码器简称SPC）是将位移转换成周期性电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲个数表达位移大小。

顺时针运动
逆时针运动
A B
1 1
0 1
0 0
1 0
A B
1 1
1 0
0 0
0 1

增量型编码器(旋转型)工作原理：由一种中心有轴光电码盘，其上有环形通、暗刻线，有光电发射和接受器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一种周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号，由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以鉴别编码器正转与反转；另每转输出一种Z相脉冲以代表零位参照位。
编码器码盘材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃差一种数量级，塑料码盘是经济型，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差某些。　　
辨别率—编码器以每旋转360度提供多少通或暗刻线称为辨别率，也称解析分度、或直接称多少线，普通在每转分度5-10000线。　
基本技术规格
（1）辨别率：用编码器轴转动一周所产生输出信号基本周期来表达，即脉冲数/转（PPR），码盘上透光缝隙数目就等于编码器辨别率，码盘上刻缝隙越多，编码器辨别率就越高。倍频提高辨别率。
（2）精度：度量在所选定辨别率范畴内，拟定任一脉冲相对另一脉冲位置能力。精度通惯用角度、角分、角秒来表达。编码器精度与码盘透光缝隙加工质量、码盘机械旋转状况制造精度因素关于，也与安装技术关于。
（3）输出信号稳定性：在实际运营条件下，保持规定精度能力。影响编码器输出信号稳定性重要因素是温度对电子器件导致漂移、外界加于编码器变形力以及光源特性变化。由于温度和电源变化影响，编码器电子电路不能保持规定输出特性，在设计和使用中都要予以充分考虑。
（4）响应频率：编码器输出响应频率取决于光电检测器件、电子解决线路响应速度。当编码器高速旋转时，如果其辨别率很高，那么编码器输出信号频率将会很高。如果光电检测器件和电子线路元器件工作速度与之不能相适应，就有也许使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲现象。这样输出信号就不能精确反映轴位置信息。因此，每一种编码器在其辨别率一定状况下，它最高转速也是一定，即它响应频率是受限制。编码器最大响应频率、辨别率和最高转速之间关系如公式：

（5）信号输出形式：有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,集电极开路Open Collector（PNP、NPN）,推拉式各种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL（ToTEM Pole）也称推拉式、推挽式输出，编码器信号接受设备接口应与编码器相应。
信号通过放大、整形得到了正弦波或矩形波。
正弦波：基本消除了定位停止时振荡现象，并且容易通过电子内插办法，以较低成本得到较高辨别率。
矩形波：容易进行数字解决，多用。
信号连接：编码器脉冲信号普通连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。
如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。
A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。
A、B、Z三相联接，用于带参照位修正位置测量。
A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号连接，电流对于电缆贡献电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传播较远距离,TTL信号传播距离可达150米,HTL信号传播距离可达300米。
增量型编码器长处是原理构造简朴，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传播。
增量型编码器缺陷是存在零点合计误差，无法输出轴转动绝对位置信息，抗干扰较差，接受设备停机需断电记忆，开机应找零或参照位等问题，这些问题如选用绝对型编码器可以解决。　　　　
增量型编码器普通应用:测速，测转动方向，测移动角度、距离(相对)。

4、绝对式编码器
绝对式编码器（其中绝对脉冲编码器简称APC）每一种位置相应一种拟定数字码，因而它示值只与测量起始和终结位置关于，而与测量中间过程无关。
旋转单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一原则，这样编码只能用于旋转范畴360度以内测量，称为单圈绝对值编码器。如果要测量旋转超过360度范畴，就要用到多圈绝对值编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码基本上再增长圈数编码，以扩大编码器测量范畴，这样绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置拟定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一种长处是由于测量范畴大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。
绝对型旋转编码器机械安装形式：
<1>高速端安装：安装于动力马达转轴端（或齿轮连接），此办法长处是辨别率高，由于多圈编码器有4096圈，马达转动圈数在此量程范畴内，可充分用足量程而提高辨别率，缺陷是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，普通用于单向高精度控制定位，例如轧钢辊缝控制。此外编码器直接安装于高速端，马达抖动须较小，否则易损坏编码器。
<2>低速端安装：安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒轴端或最后一节减速齿轮轴端，此办法已无齿轮来回程间隙，测量较直接，精度较高，此办法普通测量长距离定位，例如各种提高设备，送料小车定位等。
<3>辅助机械安装：惯用有齿轮齿条、链条皮带、摩擦转轮、收绳机械等。
绝对型编码器（旋转型）：绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排，这样，在编码器每一种位置，通过读取每道刻线通、暗，获得一组从2零次方到2n-1次方唯一2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样编码器是由光电码盘机械位置决定，它不受停电、干扰影响。绝对编码器由机械位置决定每个位置是唯一，它无需记忆，无需找参照点，并且不用始终计数，什么时候需要懂得位置，什么时候就去读取它位置。这样，编码器抗干扰特性、数据可靠性大大提高了。
绝对值编码器信号输出：
绝对值编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出
1、 并行输出：
绝对值编码器输出是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码1或0，对于位数不高绝对编码器，普通就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机I/O接口，输出即时，连接简朴。但是并行输出有如下问题：
　　<1>必要是格雷码，由于如是纯二进制码，在数据刷新时也许有多位变化，读数会在短时间里导致错码。
<2>所有接口必要保证连接好，由于如有个别连接不良点，该点电位始终是0，导致错码而无法判断。
<3>传播距离不能远，普通在一两米，对于复杂环境，最佳有隔离。
<4>对于位数较多，要许多芯电缆，并要保证连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同步有许多节点输出，增长编码器故障损坏率。
2、 串行SSI输出：
　　串行输出就是通过商定，在时间上有先后数据输出，这种商定称为通讯规约，其连接物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。
由于绝对值编码器好厂家都是在德国，因此串行输出大某些是与德国西门子配套，如SSI同步串行输出（RS422模式，两根数据线DATA、两根时钟线CLOCK)。

T=0.9—11us 每个脉冲周期 n为编码器总位数，t1>0.45us每个脉冲半周期，t2≤0.4us数据输出延迟时间，t3=12—35us数据恢复（熄灭）时间
串行输出连接线少，传播距离远，对于编码器保护和可靠性就大大提高了。
普通高位数绝对编码器都是用串行输出。
3、现场总线型输出
现场总线型编码器是各种编码器各以一对信号线连接在一起，通过设定地址， 用通讯方式传播信号，信号接受设备只需一种接口，就可以读各种编码器信号。总线型编码器信号遵循RS485物理格式，其信号编排方式称为通讯规约，当前全世界有各种通讯规约，各有长处，尚未统一，编码器惯用通讯规约有如下几种：PROFIBUS-DP、CAN、DeviceNet、Interbus等。
总线型编码器可以节约连接线缆、接受设备接口，传播距离远，在各种编码器集中控制状况下还可以大大节约成本。
4、变送一体型输出
我公司提供GPMV0814、GPMV1016绝对编码器，其信号已经在编码器内换算后直接变送输出，其有模仿量4—20mA输出、RS485数字输出、14位并行输出。
连接绝对编码器电气二次设备：
连接绝对值编码器设备可以是可编程控制器PLC、上位机，也可以是专用显示信号转换仪表，由仪表再输出信号给PLC或上位机。
1．直接进入PLC或上位机：
编码器如果是并行输出，可以直接连接PLC或上位机输入输出接点I/O，其信号数学格式应当是格雷码。编码器有多少位就要占用PLC多少位接点，如果是24伏推挽式输出，高电平有效为1，低电平为0；如果是集电极开路NPN输出，则连接接点也必要是NPN型，其低电平有效，低电平为1。
2．编码器如果是串行输出，由于通讯合同限制，后接电气设备必要有相应接口。
3．编码器如是总线型输出，接受设备需配专用总线模块。
但是，如选取总线型输出编码器，在编码器与接受设备PLC中间，就无法加入其她显示仪表，如需现场显示，就要从PLC 再转出信号给与信号匹配显示仪表。
有些合同自定义RS485输出信号进PLCRS485接口，需PLC具备智能编程功能。
4．连接专用显示转换仪表：
针对较多使用SSI串行输出编码器，我公司提供专用显示、信号转换仪表，由仪表进行内部解码、计算、显示、信号转换输出，再连接PLC或上位机。其长处如下：
a.现场可以有直观显示，直接在仪表上设立参数。
b.专用程序读码解码、容错、内部计算，可以大大减少各个项目编程工作量，提高稳定和可靠性。信号输出是由内部数字量直接计算，迅速、精确。
c.信号输出有各种形式，灵活以便，背面可连接各种PLC或上位机，通用性强。
普通应用，可选同步两组输出型，一组信号连接PLC，另一组连接显示仪表，如需要增长开关输出，可从显示仪表设定输出。
惯用线数：
30、60、100、120、200、250、256、300、360、400、480、500、512、600、700、800、900、907、1000、1024、1200、1250、1440、1500、1800、、2048、2400、2500、2669、3000、3600、4000、4069、4500、5000、5400

5、编码器安装使用及注意事项
（1）编码器检测轴与顾客端输出轴之间避免钢性联接采用螺丝夹紧安装连接。如果条件容许，也可以采用弹性软连接(例如弹性联轴器、尼龙齿轮或同步带联接传动)或以避免因顾客轴串动、跳动而导致编码器轴系损坏；
（2）应保证编码器轴与顾客输出轴不同轴度＜0.20mm，与轴线偏角＜1.5°；
（3）安装时尽量避免敲击和摔打碰撞,以免损坏轴系和码盘；
（4）不可带电插拔编码器；
（5）编码器电缆插头线芯不可与手等部位接触；
（6）不要将电源线与地线接反；
（7）编码器输出线彼此不要搭接，以免损坏输出电路；
（8）编码器信号线不要接到直流电源上或交流电流上，以免损坏输出电路；
（9）与编码器相连电机等设备，应接地良好，不要有静电；
（10）配线时应采用屏蔽电缆；
（11）开机前，应仔细检查，产品阐明书与编码器型号与否相符，接线与否对的；
（12）长距离传播时，应考虑信号衰减因素，选用输出阻抗低，抗干扰能力强输出方式；
（13）避免在强电磁波环境中使用；
（14）编码器属于高精密仪器，使用转速不要超过标称转速，否则会影响电气信号。
（15）长期使用时，定期检查固定编码器螺钉与否松动 （每季度一次）,接地线应尽量粗，普通应不不大于1.5平方。
（16）编码器是精密仪器，使用时要注意周边有无振源及干扰源
（17）不是防漏构造编码器不要溅上水、油等，必要时要加上防护罩
（18）注意环境温度、湿度与否在仪器使用规定范畴之内

6、应用中问题分析及改进办法
（一）常规应用
1、角度测量
2、长度测量
3、速度测量
4、位置测量
5、同步控制
（二）应用中问题分析
光电检测装置发射和接受装置都安装在生产现场，在使用中暴露出许多缺陷，其有内在因素也有外在因素，重要体当前如下几种方面：
1．发射装置或接受装置因机械震动等因素而引起移位或偏移，导致接受装置不能可靠接受到光信号，而不能产生电信号。
2．因光电检测装置安装在生产现场，受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠工作。
3．生产现场各种电磁干扰源，对光电检测装置产生干扰，导致光电检测装置输出波形发生畸变失真，使系统误动或引起生产事故。
（三）改进办法
1．变化光电编码器安装方式。光电编码器不在安装在电动机外壳上，而是在电动机基本上制作一固定支架来独立安装光电编码器，光电编码器轴与电动机轴中心必要处在同一水平高度，两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接，以减轻电动机冲击负载对光电编码器机械冲击。采用此方式后经测振仪检测，其振动速度降至1.2mm/s。
2．合理选取光电检测装置输出信号传播介质，采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具备两个重要技术特性，一是对电缆受到电磁干扰具备较强防护能力，由于空间电磁场在线上产生干扰电流可以互相抵消。双绞屏蔽电缆另一种技术特点是互绞后两线间距很小，两线对干扰线路距离基本相等，两线对屏蔽网分布电容也基本相似，这对抑制共模干扰效果更加明显。
3．运用PLC软件监控或干涉。

7、编码器信号输出形式：
集电极开路输出（通用型）、互补输出、电压输出、长线驱动器输出、UVW 输出
1.电压型VOLTAGE: 普通而言对没有特殊规定或现场工作电气环境单纯设备，用VOLTAGE输出(90%计数器)即可。
2.电流型OPEN-COLLECT:  有些客户偏好电流型(OPEN-COLLECT)，以为对稍许有干扰环境有较佳效果，初期PLC（DC24V系统）客户均规定用此规格，由于当时日本ENCODER制造商无法找到高压稳定IC，因而只能运用电流型OPEN-COLLECT电路特性，生产高电压型信号输出ENCODER，形成今日PLC客户会指定电流型因素。
此外对于普通信号要超过3M以上场合，亦建议客户使用此规格，并且用高电压型，以避免长距离输送，因电压下降或干扰导致产品不良。
3．PUSH-PULL（互补型）： 这是一种NPN+PNP混合电路，普通而言日本（亚洲）系产品偏好设计NPN系统，欧美喜欢PNP系统，有时不清晰对方使用NPN或PNP系统时，咱们会建议使用PUSH-PULL（互补型）规格，但是有一点要注意，如果对方系统也是PUSH-PULL（互补型）时就不能使用此规格，PUSH-PULL另一长处是它输送信号距离为50M。
4．LINE DRIVER线性差动----它电压于亚洲区几乎95%为DC5V，而欧美制造商则有DC5V，12V，8—26V。
普通对现场环境干扰源大，或者信号输送距离远（5M以上），建议使用此型式。LINE DRIVER信号可输送100M。
对于无法提供稳定电源之设备或厂商，务必规定使用高电压LINE DRIVER，避免因电压下降导致无法输出，使用该电路时要注意客户控制器与否接受RS422信号功能介面，普通而言只有PLC，人机介面，工业电脑有这些选配功能，普通型计数器无法接受，此外注意控制器能提供何种电源给编码器ENCODER使用。

8、判断编码器损坏办法：
1、如果是通过PLC定位模块来记数，可以看plc上面定位模块上脉冲批示灯。UP 、DOWN脉冲批示，如果有批示阐明编码器正常。没有批示，阐明编码器是坏。这是从外表直观去判断。
2、可以看plc程序当中读取脉冲通道上地址，看数据有变化与否，或是有规律脉冲数量增长与否，如果没有，阐明编码器是坏。这是从程序当冲来鉴别。
3、用万用表检查办法：
用数字万用表直流电压档，分别去测量。编码器A相对地电压和B相对地电压(编码器一定要在匀速转动)。 如果其中有一相电压始终为0V或始终为高电平话，那么编码器必定损坏了。如果A相和B相对0V(数字地)电压在工作电源电压一半附近话，那么编码器应当是完好。A相或B相对0V电压始终在高电平附近或低电平附近，那么编码器有故障。
（1）测量电源电压以及信号线对地电压（静止时应当为一种数字电压值，动作时应当为静止电压值一半左右），普通比较精确，需要开环辅助确认；
（2）在编码器近端测量编码器各相对地电阻并与编码器出厂时电阻对比，看与否存在异常；
4、用示波器检查办法：
（1）将编码器电源线接稳定+5V电源。
（2）将双通道示波器正极分别与A+、B+相连，示波器负极与电源负极相连，转动编码器轴，应显示相位相差90°波形
（3）将双通道示波器正极分别与A-、B-相连，示波器负极与电源负极相连，转动编码器轴，应显示相位相差90°波形
（4）将双通道示波器正极分别与A+、A-相连，示波器负极与电源负极相连，转动编码器轴，应显示相位相差180°波形
（5）将双通道示波器正极分别与B+、B-相连，示波器负极与电源负极相连，转动编码器轴，应显示相位相差180°波形
（6）将双通道示波器正极分别与Z+相连，示波器负极与电源负极相连，转动编码器轴，每转应输出一种波形。
（7）如果编码器输出信号为方波形，所有信号占空比应为50％。
5、用计数器测量：
（1）需要一种计数器显示脉冲数；
（2）需要一种切换开关切换A、A-、B、B-、C、C-；

9、编码器知名品牌：
（1）欧美占据高品位市场
德国：海德汉Heidenhain，霍勒 Hohner，倍加福 P+F，RESATRON，亨士乐Hengstler，霍普纳 Hubner-berlin，霍普纳 Hubner-giessen，施克 STEGMANN，梅尔 MEYER，库柏 KUBLER，希科 SIKO，帝尔 T+R，LENORD+LINDE，兰宝LENORD+BAUER，FRABA，宜而创ELTRA，图尔克 TURCK；
其她：莱卡 LIKA （意大利），艾西斯 ELCIS （意大利），SCANCON (丹麦)，堡盟 Baumer (瑞士)，莱纳林德LEINE LINDE（瑞典），丹纳赫Danaher (美国)，艾迪克BEI IDEACOD （法国）。
（2）日韩品牌占据中低端市场：
日系：欧姆龙 OMRON （日本），内密控 NEMICON （日本），多摩川TAMAGAVA （日本），光洋 KOYO （日本），MTL （日本）
其她：奥托尼克斯Autonics (韩国)，LTN（LITTON）

10、编码器其她技术：
（1）倍频方式；
（2）调向办法（特别是6相：A、A-、B、B-）；
（3）输出电阻：输出电路内部阻抗；
（4）电源端最大容许输入电流；
（5）容许注入电流：编码器单路信号最大吸取电流值；
（6）最小负载阻抗：输出电路所容许最小负载阻抗；
（7）相邻周期误差：相邻脉冲周期之差。