增量式编码器的【工作原理】与【输出方式】详解

增量式编码器是一种基于脉冲计数原理的位置传感器。它将机械角位移或线位移转换为一系列离散的、周期性的电脉冲信号。系统通过实时计数这些脉冲的数量，并解析其相位关系，来精确计算出运动的位移量、速度和方向。

一、工作原理

增量式编码器的核心在于通过周期性光栅或磁栅，将连续的机械运动离散化为可被电子系统处理的数字脉冲。

1. 基本构成

• 码盘/光栅尺：旋转型为刻有明暗交替光栅的圆盘；直线型为刻有刻线的玻璃或金属尺。

• 读取头：包含光源（如LED）与光电接收器（如光电二极管阵列），或磁敏元件。

• 信号处理电路：对原始信号进行放大、整形，输出规整的方波或正弦波。

2. 正交脉冲（A/B相）

读取头内置至少两套在空间上错位1/4个栅距的光电接收单元。当栅格移动时，两路信号便产生90°的固定相位差，形成A、B两路正交脉冲。

• 方向判定：通过检测A、B相的逻辑状态先后顺序（例如，A相上升沿时，若B相为低电平，则为正转；若B相为高电平，则为反转）来无歧义地判断运动方向。

• 倍频技术：对A、B两相的上升沿和下降沿均进行计数，可将基础分辨率提高4倍，实现更高精度的位置插值。

3. 零位参考信号（Z相）

在码盘上单独设置一个参考标记（如一个独立的透光缝或磁极）。旋转一周或移动一个固定节距后，Z相输出一个单脉冲，为系统提供一个绝对的机械参考原点，用于系统上电初始化、消除累计误差或在循环操作中精确定位。

二、输出信号

增量式编码器的输出信号是其与控制系统交互的“语言”。根据电气特性和应用需求，主要分为以下几种类型：

1. 方波脉冲信号

这是最普遍的输出形式，分为单端与差分两类。

• 单端

TTL：5V电平，常见于小型伺服、消费电子，电压兼容性好，但抗干扰能力较弱。

HTL (推挽式)：工业常用，电压高（常用10-30V），驱动能力强，抗干扰优于TTL。

传输距离：较短（通常<5米）

• 差分信号 

差分对：A与/A， B与/B， Z与/Z

抗共模干扰能力极强，通过双绞线传输，能有效抑制长线传输中的电磁噪声。是工业现场，尤其是中长距离和高噪声环境下的首选标准。

传输距离：较短（通常<5米）

2. 正弦波模拟信号（1Vpp）

输出两路相位差90°的连续正弦（Sin）和余弦（Cos）电压信号，典型幅值为1 Vpp。

• 工作原理：光栅的明暗变化产生了近似的正弦波光强信号，经线性放大器输出。

• 核心优势：电子细分。后续电路（如专用细分芯片或驱动器）可对Sin/Cos信号进行高倍率的内插细分（如2048倍），从而将物理分辨率提升数百至数千倍，实现超高精度的位置检测。

• 应用：极高精度的数控机床、光刻机、测量仪器等。

• 注意：对信号质量（波形失真、直流偏置、幅值稳定性）要求极高，需选用高品质编码器和屏蔽电缆。

3. 驱动与集电极开路输出

• 线驱动输出：具有低输出阻抗，能驱动长电缆和多个接收端，是差分信号的典型驱动方式。

• 集电极开路输出：输出晶体管集电极悬空，需外接上拉电阻至电源。允许用户灵活选择上拉电压以匹配不同控制器电平，但在高速或长距离传输时性能不佳。

三、优势与局限性

优势

1. 结构简单，成本相对较低。

2. 启动无需寻零（运行后通过Z相或外部参考点建立位置）。

3. 可无限累加位移量，适合长行程连续运动监测。

4. 信号实时性强，适用于高速运动控制。

局限性

1. 断电位置丢失：需依靠外部计数器保持位置，断电后必须重新寻零。

2. 抗干扰要求高：长距离传输时，噪声可能导致脉冲丢失或误计数。

3. 累加误差：长期运行可能因脉冲遗漏或干扰产生累计误差。

四、典型应用场景

• 伺服电机速度与位置反馈（最常见应用）

• 数控机床进给轴位置检测

• 传送带线速度测量与同步控制

• 纺织、包装机械中的定长切割与定位

• 机器人关节速度环反馈

五、选型与安装注意事项

1. 分辨率匹配：根据控制精度与最高转速选择PPR，避免因脉冲频率过高超出接收设备响应能力。

2. 机械安装：确保轴对齐，避免径向或轴向负载过大影响寿命。

3. 电气隔离：在强干扰环境中建议采用差分输出并加装信号隔离器。

4. 零位使用：合理设计Z相信号的运用逻辑，确保系统在断电重启后能可靠回零。