系列文章目录

1.元件基础
2.电路设计
3.PCB设计
4.元件焊接
5.板子调试
6.程序设计
7.算法学习
8.编写exe
9.检测标准
10.项目举例
11.职业规划

前言

一、光学编码器

多年来，光学编码器一直都是运动控制应用市场的热门选择。它由LED光源（通常是红外光源）和光电探测器组成，二者分别位于编码器码盘两侧。码盘由塑料或玻璃制成，上面间隔排列着一系列透光和不透光的线或槽。码盘旋转时，LED光路被码盘上间隔排列的线或槽阻断，从而产生两路典型的方波A和B正交脉冲，可用于确定轴的旋转和速度。

尽管光学编码器应用广泛，但仍有几点缺陷。在工业应用等多尘且肮脏的环境中，污染物会堆积在码盘上，从而阻碍LED光透射到光学传感器。由于受污染的码盘可能会导致方波不连续或完全丢失，因而极大地影响了光学编码器的可靠性和精度。LED的使用寿命有限，最终总会烧坏，从而导致编码器故障。此外，玻璃或塑料码盘容易因振动或极端温度而损坏，因而限制了光学编码器在恶劣环境应用中的适用范围；将其组装到电机上不仅耗时，而且受污染的风险更大。最后，如果光学编码器的分辨率较高，则会消耗100mA以上的电流，进一步影响了它应用于移动设备或电池供电设备。

二、霍尔编码器

霍尔编码器是一种利用霍尔效应原理来检测磁场变化从而实现位置、速度或方向检测的装置。它是一种非接触式的传感器，通过检测通过霍尔元件附近的磁场强度变化来生成电信号。霍尔编码器常用于各种电机控制、位置检测和速度测量应用中。

霍尔编码器由磁环（也就是图左上方的小圆环构成，里面是由多个磁铁构成）和两个霍尔器件构成（如左下图所示）。

当磁盘在转动时，通过不断的交换磁铁的N极和S极与霍尔传感器进行信号交换（霍尔传感器可以通过磁铁的N极、S极产生高低电平信号）。

三、磁性编码器

磁性编码器的结构与光学编码器类似，但它利用的是磁场，而非光束。磁性编码器使用磁性码盘替代带槽光电码盘，磁性码盘上带有间隔排列的磁极，并在一列霍尔效应传感器或磁阻传感器上旋转。码盘的任何转动都会使这些传感器产生响应，而产生的信号将传输至信号调理前端电路以确定轴的位置。相较于光学编码器，磁性编码器的优势在于更耐用、抗震和抗冲击。而且，在遇到灰尘、污垢和油渍等污染物的情况下，光学编码器的性能会大打折扣，磁性编码器却不受影响，因此非常适合恶劣环境应用。

不过，电机（尤其是步进电机）产生的电磁干扰会对磁性编码器造成极大的影响，并且温度变化也会使其产生位置漂移。

四、电容式编码器

电容式编码器主要由三部分组成：转子、固定发射器和固定接收器。

电容感应使用条状或线状纹路，一极位于固定元件上，另一极位于活动元件上，以构成可变电容器，并配置成一对接收器/发射器。转子上蚀刻了正弦波纹路，随着电机轴的转动，这种纹路可产生特殊但可预测的信号。随后，该信号经由编码器的板载 ASIC 转换，以计算轴的位置和旋转方向。

电容式编码器的工作原理与数字游标卡尺相同，因此它所提供的解决方案克服了光学和磁性编码器的许多缺点。事实证明，这种基于电容的技术具有高可靠性、高精度的特性。由于无需LED或视距，即使遇到会对光学编码器产生不利影响的环境污染物（如灰尘、污垢和油渍），电容式编码器也能达到预期的效果。此外，相比光学编码器使用的玻璃码盘，它更不容易受到振动和极高/极低温度的影响。如前所述，因为电容式编码器不存在LED烧坏的情况，所以使用寿命往往比光学编码器长。因此，电容式编码器的封装尺寸更小，在整个分辨率范围内电流消耗更小，只有6至18mA，这就使它更适合电池供电应用。鉴于电容式技术的稳健性、精度和分辨率均比磁性编码器高，因而后者所面临的电磁干扰和电气噪声对它的影响并不大。

五、单圈编码器

单圈绝对值编码器适用于需要在单个圈数范围内表示位置信息的场景。它们通常具有较低的地址位数量，提供高精度的位置分辨率，并适用于对精确定位要求较低的应用。例如，工业机械设备的定位控制和普通位置测量。

六、多圈编码器

多圈绝对值编码器适用于需要在多个圈数范围内表示位置信息的场景。它们通常具有更多的地址位数量，用于区分不同圈数之间的位置，并可提供较高的位置分辨率。多圈绝对值编码器常用于对精确定位要求更高的应用，如航空航天的导航系统、磁盘驱动器和机床加工等。

七、增量式编码器

工作原理：增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组*增量式码盘图脉冲相位差90，从而可方便的判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。

特点：优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。缺点是一旦切断电源，会导致位置信息丢失。而且再次接通电源，需执行原点返回才能够重新开始运行。

比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。

适合工况：适用于数控机床及机械附件、机器人、自动装配机、自动生产线、纺织机械、包装机械(定长)、印刷机械(同步)、木工机械、塑料机等场景。可以说精度、稳定性都不错，价格又适宜，所以应用很广。

八、绝对值式编码器

工作原理：绝对值编码器是直接输出数字的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码盘，每条道上有透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件，当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成从2的零次方到2的n-1次方且唯一的2进制编码。码道数越多精度越大，目前国内已有17位、23位绝对值编码器。

特点：优点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出与位置相对应且唯一的数字码，不受停电、干扰的影响。也就是说，哪怕停电了，绝对值编码器只要上电就能知道自己现在所处的位置。缺点是结构、电路比较复杂，技术要求高。

适合工况：适用于特殊机床、纺织机械、灌溉机械、造纸印刷、水利闸门、机器人及机械手臂、精密测量设备、电梯等精密设备。绝对值编码器抗干扰特性、数据的可靠性更强一些，但价格也更加昂贵。

格雷码编码器在抗干扰能力方面具有显著优势。格雷码，作为一种无权码，其编码特点在于任意两相邻代码间仅有一位数码不同，这一特性在编码器的应用中起到了至关重要的作用。

格雷码的特点：

任意两个相邻的代码只有一位二进制数不同；
循环码，0和最大数(2^n-1)之间只有一位不同；
镜像对称，0-(2的(n-1)次方)和(2的(n-1)次方)-(2^n-1))之间镜像对称。
应用：引用格雷码之后，相邻数值只有1位进行翻转，1位翻转引起亚稳态的概率远远小于几位同时翻转所引起的概率。

格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式。因为，虽然自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但在某些情况，例如从十进制的3转换为4时二进制码的每一位都要变，能使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它在相邻位间转换时，只有一位产生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。由于这种编码相邻的两个码组之间只有一位不同，因而在用于方向的转角位移量－数字量的转换中，当方向的转角位移量发生微小变化（而可能引起数字量发生变化时，格雷码仅改变一位，这样与其它编码同时改变两位或多位的情况相比更为可靠，即可减少出错的可能性。

综上所述，格雷码编码器在抗干扰能力方面具有独特的优势，能够确保在复杂的工作环境中稳定、准确地传输数据。同时，通过结合其他技术手段，可以进一步提高编码器的抗干扰性能，为工业控制、机器人、自动化设备等领域提供更为可靠和高效的解决方案。