通过Joe Kimbrell，产品经理，驱动、电机和运动，AutomationDirect
如何为您的工业自动化应用选择、应用和集成合适的编码器。
编码器用于确定电机轴速度和其他机械运动的位置、速度和方向。它们提供精确控制各种应用所需的信息，例如定位转盘、拾取和放置、机器装配、包装、机器人等。无论类型如何，所有编码器都提供一种方向，用作位置控制的参考点。
编码器（用于工业控制）是一种特殊的传感器，用于捕获位置信息并将该数据中继到其他设备。位置信息可以使用三种技术之一确定：光学、磁或电容。
在标准类型的编码器中，光学编码器是最精确的，并且在工业自动化应用中最常用(图1)。当指定光学编码器时，编码器具有额外的保护，以防止灰尘污染是很重要的，振动和工业环境中常见的其他条件。
图1。这种光学旋转编码器通常用于工业自动化应用中，以感测旋转运动。
磁编码器比光学编码器更坚固，但分辨率和精度较低。它们通常用于有过多污垢、蒸汽、振动和其他可能影响光学编码器性能的环境因素的环境中。
电容式编码器相对来说是工业自动化的新手。这些编码器与磁性编码器一样坚固，但也无法达到光学编码器的高分辨率和精度。
无论采用何种传感技术，编码器的电子设备都能感知运动并将其转换为行业标准电信号。
轻型、中型和重型是通过指示轴上可施加的负载量来区分编码器的术语。轻型编码器可以处理轴上的一些径向力（例如，10 N或2.25 lbf）；而重型编码器可以在轴上承受更大的径向力（例如，100 N或22.5 lbf）。
随着关税的增加，环境评级也变得更加可靠。轻型编码器一般为IP40和IP50(防尘);而中型和重型编码器更加坚固，经常达到IP65(防溅)。
旋转与线性
线性和旋转编码器有两种基本几何结构。正如名称所暗示的，线性编码器测量沿路径的运动，旋转编码器识别旋转运动。因此，应用程序确定哪个编码器最适合该作业。
线性编码器通常由标尺（编码条）和传感头组成，传感头读取标尺编码之间的间距以确定位置。线性编码器的分辨率是以每距离的脉冲数（每英寸脉冲数、每毫米脉冲数等）来衡量的。电子秤（编码带）有一个设定的分辨率，其上或内部嵌入标记，由磁头读取。分辨率为100 ppi（每英寸点数）的线性编码器每移动一英寸可读取100个标记。
与线性编码器分辨率测量不同，旋转编码器分辨率测量单位为每转脉冲数（ppr）。旋转编码器通常由内部编码盘和用于确定旋转位置的传感头组成。线性编码器与卷尺非常相似，而旋转编码器更像一个测量轮。分辨率为100 ppr（每转点数）的旋转编码器的编码盘上会有100个标记。
增量与绝对
编码器有增量和绝对两种风格。与线性编码器和旋转编码器一样，增量编码器和绝对编码器有相似之处，但在布线和运动识别方面有所不同。
增量编码器仅读取脉冲以提供有关轴相对运动的信息。它在通电时没有位置信息，因为它只能显示通电后移动了多远。它用电脉冲报告这些位置的变化。这些脉冲流可以是单通道（编码器的一条输出线）或双通道（两条线）。
增量编码器类似于卷尺，上面没有数字，只有记号。这样的装置可以指示物体移动的距离，但不能指示物体的初始位置。
相比之下，一个单转，旋转，绝对编码器可以报告准确的角度，甚至当第一次供电。这些编码器通常用于不能快速或容易地执行归巢序列的工业控制和机器人应用程序。一个绝对编码器就像一个指南针，它的准确位置显示，只要它被看到。
标准绝对编码器的分辨率类似于增量编码器（ppr、ppi等），但不是高速脉冲流的输出，而是以二进制格式指定输出。最大编码器分辨率=2n，其中n=编码器的输出线数）。
因此，一个4ppr绝对编码器有2个输出，一个8ppr绝对编码器有3个输出，一个16 ppr绝对编码器有4个输出，以此类推。如果失去电源，当电源恢复时，位置的实际值将被知道，因为编码器绝对旋转中的每个位置都是唯一的二进制值。
单圈绝对编码器有一个缺点：通电时编码器的准确角度很明显，但通电前的圈数却不明显。多圈绝对编码器被用来解决这个问题。
多圈绝对编码器通常有一个电池或超级电容器，用于监测编码器在断电时旋转了多少圈。多圈绝对编码器类似于测量轮，每转增加一次。这些编码器通常具有串行通信，需要特殊的接收器来解码其位置信息。
一般来说，增量编码器必须连接到高速输入端，尽管有些ppr编码器不产生高速脉冲序列。但是，单圈绝对编码器设计为连接到通用工业自动化I/O。
格雷码
在选择单圈绝对编码器时，还有一个需要考虑的因素，那就是许多绝对编码器不计入标准二进制代码。以下是二进制文件的正常计数方式：
十进制数 |
二进制码 |
12 |
01100 |
13 |
01101 |
14 |
01110 |
15 |
01111 |
16 |
10000 |
17 |
10001 |
18 |
10010 |
请注意，在从十进制15到16的转换过程中，所有5位数字都会立即改变状态。如果PLC在转换发生的确切时刻读取输入，则PLC可能会临时解码坏值至少一次扫描，因为每个输出可能不会在同一确切时刻改变状态。
如果机器上的输出根据编码器位置打开和关闭，则可能会出现大问题。这种情况可能不会经常发生，但考虑到PLC每次扫描都会更新其输入图像表（每秒数百次，如果不是数千次的话），读取位置上的任何故障都可能有问题。
为了解决同时读取多个转换的问题，开发了格雷码。格雷码是一种特殊的二进制代码，一次只能增加一位。因为每次转换只有一位改变，PLC解码错误位置数据的可能性要小得多。
十进制数 |
二进制码格雷码 |
0 |
0000 0000 |
1. |
0001 0001 |
2. |
0010 0011 |
3. |
0011 0010 |
4. |
0100 0110 |
5. |
0101 0111 |
6. |
0110 0101 |
7. |
0111 0100 |
格雷码唯一的缺点是，当比特改变状态时，确定它的值不是很直观。然而，解码格雷码的逻辑非常简单，可以用最小的梯形图或其他PLC编程方法完成。
增量式编码器的电气输出
不同的增量编码器提供不同种类的电气输出:线驱动器，NPN开路集电极，或推挽(图腾柱)，用户可以选择最适合他们的应用的输出类型。
图2。增量编码器线路驱动器输出要求每个通道有两条唯一的输出线，并在自动化系统中有两个相应的输入。
线路驱动器输出是一个差分信号，每个通道需要两条唯一的输出线（图2）。典型的导线名称为A、A-（A“not”）、B、B-（B“not”）等。当通道A接通时，A和A-之间存在正电压。通道A关闭时，A和A-之间存在负电压差。电压差的大小将大于2.5 V。B和Z通道也会发生同样的情况。线路驱动器输出提供高质量的信号，并且对电噪声相当免疫。
线路驱动器编码器对于配备PLC或运动控制器的线对线驱动器输入非常简单。每个输出（A、B、Z）需要两根导线，外加两根电源线（通常为5 Vdc）。
第二种输出类型是集电极开路或NPN晶体管（图3）。NPN开路集电极编码器“接收”来自源（PNP）PLC或运动控制器输入的电流。陷波和源输入只是指晶体管中的电流。NPN编码器需要PNP PLC或运动控制器输入，因为编码器接收PLC或运动控制器提供的电流。NPN编码器需要一根电源线，每个通道（A、B、Z）一根导线，所有电流回路需要一根0 V（直流公共）导线。
图3。NPN（开放式采集器）增量编码器要求自动化系统具有PNP（源）输入。
一个开路集电极编码器有A, B, Z和0 V电线(和电线+直流电源的电子)。NPN开路集电极(下沉)编码器需要主PLC或运动控制器有PNP(来源)输入。开式集电极编码器通常可以接受较宽的电压范围。
第三种类型的编码器输出是推挽式电路，也称为图腾柱输出(图4)。推挽式输出是一种特殊的电路，可以将电流汇聚到PLC上。编码器电路的关键是编码器中的一对晶体管。当一个晶体管开着时，另一个是关着的。
图4。带有图腾极输出的增量编码器可向自动化系统输入或提供电流。
如果PLC或运动控制器通过源或PNP输入提供电流，则推挽编码器可通过下部晶体管吸收电流。如果PLC或运动控制器通过下沉或NPN输入吸收电流，编码器将通过上部晶体管提供电流。
求积输出是什么?
在旋转编码器中，正交输出使用两个不同的通道（a和B），通过90度的相移来提高分辨率。这两个输出中的每一个都可以打开或关闭，从而为每个分辨率段产生四种不同的“状态”：
时间片“a”：a=关闭，B=打开
时间片“b”：A和b都关闭
时间片“c”：A=打开，B=关闭
时间片“d”：A和B都打开
因此，分辨率为100 ppr（a信道或B信道的100个“时隙”）的正交编码器实际上会为编码器的每转产生400种不同的状态。这就是为什么正交编码器有时被称为×4（乘以4）编码器。
A和B打开和关闭的模式还显示编码器的旋转方向。每个编码器定义正交图案的方向。图5中的编码器图A=ON，顺时针旋转时B=ON。如果此编码器逆时针旋转，B将首先打开，然后A将打开。
图5。正交输出的输出时序图显示a=ON，然后在顺时针方向旋转时B=ON。
z脉冲或索引通道
某些增量编码器有另一个通道，称为索引通道或Z脉冲（零位脉冲）。编码器每转一圈，该输出脉冲一次，用于指示编码器盘何时穿过编码器内的固定零位（图6）。
图6。此时序图适用于5 PPR编码器。请注意，Z脉冲在输出B的整个周期内保持开启状态。
z脉冲可以用来重置计数器，或者它可以用于非常精确的寻的。例如，考虑一个使用增量编码器作为反馈设备的伺服驱动器。伺服可以home到一个外部信号(接近开关，机械限位开关等)，然后继续到编码器的z脉冲的下一个发生，以实现极其精确的定位。
通常，编码器的Z脉冲为出厂设置，不能移动。然而，一些编码器系列提供“伺服安装夹具”，允许编码器主体在安装后旋转或“计时”，因此Z脉冲信号出现在相对于机器功能的所需位置。
速度限制
旋转编码器有机械和电气速度的限制。机械速度限制是一个固定的rpm值，这是编码器可以承受的最大速度，而不发生可能的损坏。电气速度限制是由编码器内部电子器件的最大开关速度(频率响应)决定的。
电气速度限制由公式“最大电气速度=（最大频率响应/每转脉冲数）×60 s/min”确定。对于每个编码器系列，最大频率响应是一个固定数字（以赫兹为单位），它指示电子设备从关闭到打开的物理速度。
由于最大电速度取决于ppr，因此给定编码器系列中的每个编码器分辨率具有不同的最大电速度。例如，以5000 rpm旋转的3 ppr编码器以250 Hz产生脉冲，而以5000 rpm旋转的1000 ppr编码器以83 kHz的更高速率产生脉冲。因此，1000 ppr编码器的最大速度远低于3 ppr编码器，因为速度将受到编码器系列最大频率响应的限制。
如果应用程序需要高速或高分辨率，编码器的机械和电气速度限制都需要考虑。两个最大速度中较低的是编码器允许的最快速度。
例如，100 ppr编码器的最大机械速度可能为3000 rpm，最大频率响应（电气速度）可能为100 kHz。因此，该编码器可以旋转的最快速度受到3000 rpm的机械限制，因为电子设备的速度快得多（100 kHz/100 ppr）×60 s/min=60000 rpm。
虽然上述信息主要针对增量编码器，但对于绝对编码器，同样的计算也适用。绝对编码器的一个额外考虑是，通用直流输入不是高速输入，因此通用PLC和运动控制器直流输入卡的关-开和开-关响应时间可能会限制绝对编码器的速度超过编码器的开关频率。
有关编码器的更多信息，请访问以下制造商：
Dynapar
www.dynapar.com
编码器制品有限公司
www.encoder.com
HEIDENHAIN
www.heidenhain.us
Nidec Avtron工业自动化
www.nidec-avtron.com
重印信息>>
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www.automationdirect.com
根据以下文件提交：运动控制提示,编码器•线性,编码器•光学,编码器（旋转）+旋转变压器
