编码器原理

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编码器

旋转编码器的原理是什么？增量式编码器和绝对式编码器有什么区别？ - 知乎 (zhihu.com)

编码器按工作原理可以分为光电式、电容式、感应式、电触式等，光电式又可以分为绝对式编码器和增量式编码器两大类。这里只讨论光电式编码器及磁编码器。编码器包括码盘和码尺。前者用于测角度，后者用于测长度。因为实际接触的基本上是码盘是的，故这里只讨论码盘。

光电式绝对式编码器

原理及组成

光学码盘式是用光电照射方法把被测角位移转换成二进制的电信号的转换部件。
如下图是一个4位的绝对式编码器示意图，整圈分成$2^4$份，在半径方向上，每一个扇区又被分成了4份。（17位的编码器，整圈则分为$2^{17}$份，每个扇区分成17份。)
LED发射光束，经过棱镜，使光束可以照射一个扇区，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。

传感器的组成：1一LED光源；2-Lens柱面镜；3一码盘；4一狭缝：5一Detector Chip探测芯片
码盘黑色区域，光线不能穿透。但探测芯片接收到光线时，为逻辑1信号，接收不到光线时，为逻辑0信号。如下图，从左到右可以分别表示0001, 0101, 1100。
因为4个逻辑代码可以组成$2^4$组，则4位编码器的每一个扇区都有一个唯一的逻辑代码进行标识。

此时可以看到，n位编码器是将一圈分为$2^n$个扇区，每个扇区又有n个组成的逻辑代码进行区分,即n位编码器的每一个扇区都有一个唯一n位逻辑代码进行标识。
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°。

单圈和多圈

上述讲的即是单圈编码器原理，在工作当中，码盘旋转不超过一圈时，可以区分具体的位置。
但有时工作，需要码盘旋转几圈，这时若是不能够明确码盘旋转的圈数，则没有办法精确行走的位置变化。多圈编码器就是增加一个装置记录旋转的圈数。
目前常用的方式是利用电子计数器来记录总过转过的圈速。为了保证断电时仍能记录编码器的旋转，多圈编码器一般需要配置电池，为计数器提供电能。

码制与码盘

下面左图所示是一个6位的二进制码盘。最内圈称为C码道，一半透光、一半不透光。最外圈称为 $C_1$码道，一共分成$2^6=64$ 个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000（全黑），第23个方位对应于010111。测量时，只要根据码盘的起始和终止位置即可确定转角，与转动的中间过程无关。

6位二进制码盘 6位循环码码盘
二进制码盘具有以下主要特点：

1. n位（n个码道）的二进制码盘具有$2^n$种不同编码，称其容量为$2^n$，其最小分辨率${\theta }_1=\frac{360^{\circ }}{2^n}$它的最外圈角节距为$2{\theta }_1$；
2. 二进制码为有权码，编码$C_n$，$C_{n-1}$，$C_{n-2}$，··· ，$C_1$对应于由零位算起的转角为$\sum _{i=1}^n{C}_i{2}^{i-1}{\theta }_1$；
3. 码盘转动中，$C_k$变化时，所有$C_j（j<k）$应同时变化。

为了达到1’'左右的分辨力，二进制码盘需要采用20或21位码盘。一个刻画直径为400mm的20位码盘，其外圈分别间隔稍大于1um。不仅要求各个码道刻画精确，而且要求彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。
二进制码盘，由于微小的制作误差，只要有一个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗误差。
为了消除粗误差，可以采用循环码代替二进制码。上面右图所示是一个6位的循环码码盘。循环码码盘具有以下特点：
①n位循环码码盘，与二进制码一样具有2种不同编码，最小分辨力为${\theta }_1=360°/2^n$，最内圈为R，码道，一半透光、一半不透光，其他第i码道相当于二进制码码盘第十1码道向零位方向转过${\theta }_1$角，它的最外圈Ri码道的角节距为$4{\theta }_1$；
②循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，而其余各位相同；
③循环码为无权码;
④循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗误差，由于这原因循环码码盘获得了广泛应用.

增量式编码器

增量式编码器（Incremental Encoder）随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此表示转过的角位移量。
增量式光电编码器结构示意图如下图所示。光电码盘与转轴连在一起。

1一转轴；2一发光二极管；3一光栏板；4一零标志位光槽；5一光敏元件；6一码盘；7一电源及信号线连接座。
增量式编码器的工作原理如下所示。在码盘上等角距地在两条码到上揩油透光的缝隙，内外码道（A、B)相邻两缝距离错开半条缝宽，如图右b所示。

增量编码器的第三条码道是表示零位的，只有一个透光狭缝。
在码盘两侧的光源LED和光敏元件，当码盘转动时，光源经过透光和不透光区域，每个码道将有一系列光脉冲在光敏元件上形成，码道上有多少个缝隙就有多少个脉冲输出。放大整形后，A、B两列脉冲信号如图b所示。
增量式编码器根据A或B输出脉冲的多少占A或B总脉冲数，来判断旋转角度。（也可以根据A和B共输出的上升沿数或下降沿数占A和B一圈共输出上升沿数或下降沿数。这种方法也就做4倍频）

增量式编码器原理示意图

寻找零位

增量式编码器工作时，总是先找到零位，再开始运行。这是因为开始记录的脉冲数的位置需要一致。

方向判断

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。
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。

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。

旋转变压器

多摩川精机株式会旋转变压器的介绍多摩川精机株式会社旋转变压器的介绍 - 道客巴巴 (doc88.com)

旋转变压器是一种电磁感应元件，与静止变压器不同之处在于其原边绕组和副边绕组的相对位置可变，是可旋转的；其原边和副边的耦合程度因旋转的角度不同而不同。

光电式与旋转变压器的比较图
旋变系统 = 旋变变压器+R/D转换器
旋变系统特征：
旋变和R/D转换器之间用电缆连接的话可以间隔几米甚至几十米的距离。旋变因其对恶劣环境的适应能力，可以安装在恶务的条件下，由于R/D转换器是电子元件组成，其可以放置在控制盘附近，环境比较好的地方，这样就能足见一个抗恶劣条件下，精确检测的系统了。

旋变BRX的原理及结构

旋变的基本原理和变压器是一样的，如下，当输入侧与输出侧结构相同时，输入电压与输出电压是相等的。

旋变的铁芯是分开的，因为磁通能透过空隙，所以和1个铁芯是一样的。

当1侧铁芯和2侧铁芯的相对位置关系是0°时，输入输出的状态如下

2个铁芯，如果当1侧铁芯发生旋转，1、2侧铁芯相对位置发生变化时，1侧的磁通到达2侧的磁通就会相对减少。当两侧铁芯的相对位置为45°时，输出电压如下

当相对位置为90°、135°时，输出电压如下

相对位置为90°	相对位置为135°

旋变结构及原理
基于上述现象，旋变变压器有一组转子绕组和2组定子绕组组成，转子绕组在输入测，定子绕组在输出测。旋变内部原理如下

实物图

转子绕组在输入交流电压后，通过旋变轴与定子绕组感应，产生的输出电压振幅为正弦波。
因定子绕组有2组，所以输出电压有2相，2相之间的相位差为90°。因此一相是COS（余弦波）变化，另一相是SIN（正弦波）变化。
旋变是根据读取2相输出电压的振幅变化，来检测角度的。

旋变BRT的原理及结构

BRX和BRT的不同点：BRX是1相励磁输入/2相输出，而BRT是2相励磁输入/1相输出的。
BRT是在转子绕组输入，定子绕组是输出。而BRT是定子绕组输入，转子绕组输出。

BRT的2相定子绕组是输入，振幅相同，时间性的偏移90° 位相的交流电压。2相的定子绕线输入交流电压的情况下转动BRT的轴，根据转动角度1相输出电压的振幅里不变，但是对于励磁电压（输入电压）的时间性的位相会产生变化。因此BRT也叫做位相变调型。在BRT，依靠读取1相输出电压的对于励磁电压（输入电压）时间性的位相变化，可以检测角度。

VR型旋变(VRX)的原理

VR的是VariableReluctance（可变磁阻）的缩写。和旋转变压器不同，它没有转子绕阻。定子上有3相绕阻，分别是1相励磁及2相输出（VRX类型）。
VR有一个转子铁芯，但没有转子绕阻。SVR的转子用铁芯制成特殊形状，根据转子铁芯与定子铁芯之间间隙，而使输出电压发生振幅变化（振幅变调型）。
VR型旋变主要用于纯电动汽车及混合动力汽车及电动动力转向装置等方面，主要应用于汽车领域

旋变的比较

BRX 1相励磁/2相输出	温度漂移小。 R/D转换器的结构比BRT的复杂。
BRT 2相励磁/1相输出	温度漂移大。必须要有对应的温度补偿电路。 R/D转换器的结构比BRX的简单。
VRX 1相励磁/2相输出	零部件少，构造简单。 检测精度没有BRX好。

三种编码器有缺点

三种编码器技术详解：各有利弊，如何选择？ - 知乎 (zhihu.com)

光电式编码器
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 100 mA 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。
磁性编码器
相较于光学编码器，磁性编码器的优势在于更耐用、抗振和抗冲击。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。
此外，磁性编码器的分辨率和精度相对较低，在这方面远不及光学和电容式编码器。
电容式编码器
的优点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，CUI Devices 的 AMT 编码器系列所采用的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 18 mA，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。
此外，在灵活性和可编程性方面，电容式编码器的数字特性也能带来关键优势。因为光学或磁性编码器的分辨率是由编码器码盘决定，所以需要其他分辨率时，每次都要使用新的编码器，以致于设计和制造过程的时间和成本均会有所增加。
然而，电容式编码器具有一系列可编程的分辨率，为设计人员免去了每次需要新的分辨率时就要更换编码器的麻烦，这不仅减少了库存，而且简化了 PID 控制回路的微调和系统优化。
涉及 BLDC 电机换向时，电容式编码器允许数字对准和索引脉冲设置，而这项任务对于光学编码器而言可能既反复、又耗时。
内置的诊断功能使设计人员可以进一步访问系统数据，用以优化系统或现场排除故障。

图 3：电容式、光学式和磁式技术的关键性能指标比较(图片来源：CUI Devices