编码器结构组成、分类，原理和用途介绍

编码器是用于信号转换的关键设备，主要负责将比特流或数据进行编制，以便于通讯、传输和存储。它能够有效地将角位移或直线位移转换为电信号，进一步实现自动化控制。在轴的闭环控制和众多自动化过程中，编码器都发挥着不可或缺的作用。

一、什么是编码器？

电机运行过程中，实时监测电流、转速、转轴的圆周方向相对位置等参数，确定电机本体及被拖动设备状态，进一步地实时控制电机和设备的运行状况，从而实现伺服、调速等许多特定功能。

这里，应用编码器作为前端测量元件，不仅大大简化了测量系统，而且精密、可靠、功能强大。

二、编码器结构组成

1、输入接口

输入接口是编码器的起始部分，它负责接收原始的信号或数据。这些数据可能来自于各种传感器、音频视频设备或其他数据源。输入接口的设计需要确保能够稳定、准确地接收并传递这些数据，为后续的编码处理提供可靠的基础。

2、编码处理单元

编码处理单元是编码器的核心部分，它负责对接收到的原始信号或数据进行编码处理。这个过程中，编码处理单元会根据预设的编码规则，如MP3、H.264等，将数据转换成特定格式的编码。这种编码不仅可以压缩数据大小，还能在一定程度上提高数据的抗干扰能力，确保数据在传输或存储过程中的稳定性和可靠性。

3、存储单元

存储单元在编码器中扮演着重要角色，它负责暂时存储经过编码处理的数据。这样，在需要的时候，可以迅速地从存储单元中读取已编码的数据，进行后续的传输或存储操作。存储单元的性能直接影响到编码器的整体效率，因此，设计时需要充分考虑其容量和读写速度。

4、输出接口

输出接口是编码器的最后一道关卡，它负责将已编码的数据输出到外部设备或网络中。输出接口的设计需要兼容各种标准和协议，以确保数据能够顺畅地传输到其他设备或系统中。同时，输出接口还需要具备一定的抗干扰能力，以保证数据在传输过程中的准确性。

三. 编码器基本原理

编码器是一种将旋转部件位置、位移物理量转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲信号被控制系统采集、处理，发出一系列指令，调整改变设备的运行状态。如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线运动部件的位置、位移物理量。

编码器的基本原理是利用光、磁、电或机械等物理效应来实现信号的转换。

四、编码器分类

1、根据不同的工作原理分类

编码器可以分为光电编码器、磁编码器、电容编码器、电感编码器和机械编码器等多种类型。这些编码器类型各有特点，适用于不同的应用场景。

（1）光电编码器

光电编码器利用光电传感器和光栅来实现信号的转换。光栅由透明和不透明的条纹组成，当光栅旋转时，光传感器会检测到光栅上的条纹变化，从而产生脉冲信号。通过计算脉冲的数量和方向，可以确定光栅的位置和运动方向。光电编码器具有高精度、高分辨率、高可靠性等优点，广泛应用于精密测量、自动控制等领域。

光学编码器，一种利用光学原理进行信号转换的装置，通过光电转换技术将角位移或直线位移转换为电信号。其工作原理基于光电效应，即光线照射到特定材料上时会产生电流，从而实现对位移的精确测量。光学编码器具有高精度、高分辨率的特点，在精密测量和自动化控制领域发挥着重要作用。

主要由发光装置LED、光电传感器以及码轮圆盘三部分构成。码轮圆盘上精心布置了狭缝或孔洞，这些狭缝或孔洞的作用是将位置信息转换为光脉冲的形式。随后，光电传感器负责将这些光脉冲进一步转化为电信号，并输出供后续处理或控制使用。这一整套工作流程，使得光学编码器能够实现对角位移或直线位移的精确测量与转换。

当码盘旋转时，它会产生两路典型的方波信号，分别是A和B正交脉冲。这两路信号可用于精确确定轴的旋转方向和速度。在光电编码器正转时，A相脉冲会领先B相90度，而在反转时，A相则会滞后B相90度。通过输出脉冲的个数，光电编码器能够确定物体的具体位置并计算其运动速度。同时，齿轮的运动方向则可以通过分析这两组脉冲信号的A、B相位差来得出。

光电编码器，以其小巧的体积、高精密性以及出色的分辨率著称，最高分辨率可达25位。其无接触式设计有效减少了磨损，同时确保了快速的响应速度。然而，这种编码器也存在一些潜在风险。由于容易受到污染的影响，码盘在接收方波时可能出现不连续或丢失的情况。此外，LED灯的寿命有限，而玻璃或塑料制成的码盘在震动或极端温度环境下也容易受损。这些因素都需要在实际应用中予以充分考虑。

特点：光电编码器具有高分辨率、响应速度快和抗干扰能力强等优点，但在恶劣环境下，光源的稳定性可能受到影响。

应用领域：光电编码器广泛用于工业自动化、机器人技术和数控机床等领域。在这些应用中，光电编码器能够提供高精度的位移测量，确保设备的精确控制。

（2）磁编码器

磁编码器利用磁场变化来实现信号转换。它通常由磁头和磁性标尺组成。磁头感应到磁性标尺上的磁场变化，并将其转换为电信号。通过计算脉冲的数量和方向，可以确定磁性标尺的位置和运动方向。磁编码器具有抗干扰能力强、耐恶劣环境等特点，适用于高速运动控制、振动检测等场合。

磁编码器，一种通过磁场变化来获取位置信息的装置，具有抗污染能力强、寿命长等特点。然而，它也存在一定的局限性，如对安装精度要求较高，且在强磁场环境下可能受到影响。在实际应用中，需要根据具体需求来选择适合的编码器类型。

磁编码器的主要构成部分包括码盘、磁感应元件、调节电路、电源线以及差动信号线等。其中，码盘是一个被磁化的圆盘，其圆周上均匀分布着一定数量的磁极，这些磁极以极性相异的方式排列。磁感应元件，通常是霍尔元件或磁阻元件，负责检测磁盘旋转时产生的磁场变化。而调节电路则主要用于对信号进行放大、分频、倍频等处理，以便系统中的控制器能够识别这些信号。

磁编码器的优缺点分析：

优点：

• 耐用性高、抗震抗冲击能力强。例如，在面对灰尘、污渍和油垢等恶劣环境时，光学编码器的性能会显著下降，而磁编码器则能保持稳定。

缺点：

• 易受电机电磁干扰。电机产生的电磁场会对磁编码器的性能造成显著影响。
• 温度敏感性。温度的变化会导致磁编码器产生位置漂移，影响其测量的准确性。
• 分辨率和精度相对较低。与光学编码器相比，磁编码器的分辨率和精度在一定程度上有所不及。

应用领域：

特点：磁性编码器具有结构简单、耐用性强和成本低等优点，但其分辨率相对光电编码器略低。

磁性编码器常用于汽车、航空航天和机器人等领域，尤其适用于高温、高湿等恶劣环境。由于其抗干扰能力强，能在较为复杂的环境中稳定工作。

（3）电容编码器

电容编码器利用电容变化来实现信号转换。它通常由固定电容和可变电容组成。可变电容的值随着物体的位置或运动而变化，从而产生电信号。通过测量电信号的大小和变化，可以确定物体的位置和运动方向。电容编码器具有高精度、高灵敏度等特点，适用于精密测量、微动控制等领域。

（4）电感编码器

电感编码器利用电感变化来实现信号转换。它通常由固定电感和可变电感组成。可变电感的值随着物体的位置或运动而变化，从而产生电信号。电感编码器的工作原理与电容编码器类似，但具有更高的抗干扰能力和更稳定的性能。

电感式磁编码器是一种常见的磁编码器类型。其工作原理基于电磁感应，通过检测磁场变化来获取位置信息。这种编码器具有结构简单、耐用性高等优点，在工业领域得到广泛应用。然而，它也存在着一些不足之处，如易受电机电磁干扰、温度敏感以及分辨率和精度相对较低等。因此，在选择和使用时，需要根据具体的应用场景和需求进行综合考虑。

采用非接触式无磁体感应技术，电感式磁编码器能够精确测量导电目标的位置。这一测量过程依赖于旋转目标所引起的激励线圈与接收器线圈之间的耦合变化。编码器通常由定子和转子两部分组成，其中定子PCB板上布置了激励线圈、接收线圈以及解码电路和通信电路，而转子PCB则配备了金属反射体或低导磁率金属。

电感式编码器的优势在于其出色的耐振性和抗污染能力，同时对磁场变化不敏感，确保了高精度的位置测量。然而，其精密的线圈结构也带来了高昂的生产成本。此外，电感式编码器还可进一步细分为增量型和绝对值型，两种类型在工作原理和应用场景上有所不同。接下来，我们将深入探讨增量型编码器的工作原理。

2. 根据信号原理，编码器还可以分为增量型编码器和绝对型编码器。

（1）增量型编码器

增量型编码器输出的是一组脉冲信号，脉冲的数量与编码器的旋转角度成正比。通过计算脉冲的数量和方向，可以确定编码器的位置和运动方向。增量型编码器具有结构简单、价格低廉等优点，但在断电或重启后无法保留位置信息。

用途：增量式编码器不仅可以测量角度，还能测量距离、速度和线性位置。它广泛应用于需要高精度测量的设备，比如CNC铣床等。增量式编码器通过计算旋转或线性运动的增量来提供精确的位置和速度信息。

（2）绝对型编码器

绝对型编码器输出的是一组数字编码信号，每个编码对应一个固定的位置。在任意时刻，通过读取编码器的输出信号，可以直接获得编码器的位置信息。绝对型编码器具有断电后位置信息不丢失、无需归零等特点，适用于需要高精度位置信息的场合。

3根据应用场景分类

（1） 直线编码器：用于测量直线位移，常用于机床、机器人等设备。线性编码器则更多地应用在需要高精度测量的设备上，比如CNC洗床。它能够精确测量设备的线性位置，确保设备在运动过程中始终保持高精度。

（2）旋转编码器：也称为轴编码器，用于测量旋转角度和速度，是将旋转位置或旋转量转换成模拟或数字的机电设备。常用于电机、机器人等设备。

用途 ：旋转编码器主要用于测量旋转设备的角度、速度和位置。它能够实时收集数据，并将这些信息反馈给旋转设备，确保设备在需要精确控制的位置和速度上运行。简单来说，旋转编码器就是旋转设备的“眼睛”，让它知道自己在什么位置，以什么速度旋转。

4. 根据读取方式分类

（1）. 接触式编码器：通过电刷与码盘之间的接触来产生电信号。

（2）. 非接触式编码器：主要由编码器本体、码盘（或磁环、光栅等）和检测元件（如光电元件、霍尔元件等）组成。编码器本体和码盘之间保持一定的间隙，无需直接接触。具有寿命长、无磨损、低维护成本等优点。

五、编码器的接线方法

编码器的接线方法因型号和应用场景而异，但一般包括以下四个步骤：

1. 确定电源接线

编码器需要外部供电，因此要将电源正负极连接到编码器的电源接口上。在接线时，应确保电源电压和电流符合编码器的要求，以避免损坏编码器。

2. 连接信号输出线

编码器的信号输出有A、B、Z相三路信号，分别对应编码盘上的光栅线或光栅片。在接线时，要将A、B、Z相的信号线连接到控制系统中，以便实时传输位置、速度等信息。在连接信号线时，应注意信号线的颜色、线序和接插件的匹配，以确保信号传输的准确性和稳定性。

3. 接地处理

为了减小干扰和保证信号的稳定性，编码器的外壳需要接地处理。在接线时，应将编码器的接地线连接到设备的接地端上，以确保设备的安全运行。

4. 检查接线是否正确

在接线完成后，应仔细检查接线是否正确、牢固，并测试编码器的工作状态是否正常。如发现问题，应及时排查并处理。

总之、编码器是一种重要的电子设备，在测量、控制和通信系统中发挥着重要作用。

六、编码器的应用注意事项

1. 编码器应当在干燥、无尘、无油、无腐蚀气体的环境下使用，以保证其正常工作。

2. 在安装编码器时，应当保证其与被测量的物体之间的间隙尽可能小，以提高测量精度。

3. 在使用编码器时，应当注意防止电磁干扰，以保证信号质量稳定。