旋转编码器
旋转编码器介绍
旋转编码器是一种将机械旋转的角位移、角速度等物理量转换为电信号输出的传感器，广泛用于速度测量、位置定位及方向判断.
PMSM驱动需要用到旋转编码器，实时反馈电机的转速和转角，构成闭环控制，确保定位精准.
旋转编码器外形像电机：
根据断电后是否保留位置信息，旋转编码器可分为增量式、绝对式以及混合式三种.
增量式编码器
增量式旋转编码 将设备运动时的位移信息变成连续的脉冲信号，脉冲个数表示位移量的大小. 只有当设备运动的时，编码器才会输出信号. 编码器一般会把这些信号分为通道A和通道B（也称A、B相）两组输出，A、B两通道信号相位差90°. 同时采集这2组信号，就能知道设备运动（速度、位置）和方向.
除通道A、B，一些编码器还有通道Z，表示表示编码器特定的参考位置，编码器转一圈Z轴信号输出一个脉冲. 由于断电后位置信息丢失，重新上电需执行“回零”操作寻找 Z 相基准脉冲. 因此，Z相也称为 Z 相零位脉冲.
注意：增量式编码器只输出设备的位置变化和运动方向，不会输出设备的绝对位置.
绝对式编码器
绝对式旋转编码器 将设备运动时的位移信息，通过二进制编码的方式变成数字量直接输出. 与增量式编码器的区别主要在内部的码盘.
绝对式编码器的码盘，利用若干透光和不透光的线槽组成一套二进制编码，这些二进制码与编码器转轴的每一个不同角度是唯一对应的，读取这些二进制码就能知道设备的绝对位置，所以称之为绝对式编码器.
绝对式编码器一般常用自然二进制、格雷码或者BCD 码等编码方式.
混合式绝对式编码器
混合式绝对式编码器 输出2组信息：一组用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组和增量式编码器的输出信息完全相同.
旋转编码器原理
旋转编码器内部大都由码盘、光电检测装置和信号处理电路等部分构成. 码盘上刻了若干圈线槽，线槽等距且可透光，当码盘旋转时就会周期性的透过和遮挡来自光电检测装置的光线，这样检测装置就会周期性的生成若干电信号。但是这些电信号通常比较微弱，需要加入一套处理电路对信号进行放大和整形，最后把信号整形为脉冲信号并向外输出.
编码器原理：
增量式编码器原理
光电式编码器
增量式编码器都有A、B 两通道信号输出，因为增量式编码器的码盘上有两圈线槽，两圈线槽的之间会错开一定的角度，这个角度会使得光电检测装置输出的两相信号相差1/4 周期(即90°).
码盘工作方式：
A、B相输出 11
A、B相输出 10
A、B相输出 00
其中，黑色代表透光，白色代表遮光.
当码盘转动时，内圈和外圈的线槽会依次透过光线，光电检测装置检测到光线通断的变化，就会相应的输出脉冲信号，因为内外圈遮光和透光时候存在时间差，所以就有了A、B通道的相位差.
如何得到旋转方向、速度？
根据两相信号变化的先后顺序就能判断运动方向，记录输出的脉冲个数可知位移量的大小，同时通过输出信号的频率就能得到速度.
4圈线槽的编码器
有些增量式编码器上会有4 圈线槽，分别对应A、B、-A、-B 四相信号，相邻两相信号相差1/4周期（即90°），不过编码器会将-A、-B相信号反相，然后叠加到A、通道B，用于增强信号.
Z相信号
很多增量式编码器还有一个Z相输出信号，在码盘上有对应的线槽，不过只有一条，码盘转一圈才会经过一次. Z 信号一般用做参考零位，指示设备位置或者清除积累量.
在FOC应用中，Z相并不是必须的，但在需要精确定位或断电后保持位置记忆的场合，它是不可或缺的关键部分. 最重要的3点用途：
1）电角度零点校准，FOC控制需要精确知道转子电角度. 此时，Z相提供每圈唯一的机械参考点，通过校准程序找出偏移量，实现电角度对齐；
2）消除累计误差（伺服定位必需），增量式编码器的A/B相只能测量相对移动，无法知道绝对位置。一旦发生干扰丢脉冲，位置误差会一直累积. 每转一圈，Z相给出一个精确的机械位置信号，系统可在此点自动校正当前位置；
位置控制模式下，才需要消除累积误差；如果速度控制，则不需要，也无法用Z相自动校正.
3）断电后位置记忆，对于机械臂、AGV等应用，需要知道断电后电机转了几圈. 此时，编码器计数电路通常由小电池供电.
线数与分辨率
在PMSM（永磁同步电机）应用中，“线数”通常指与电机配套使用的编码器分辨率，特别是增量式光电编码器的光栅刻度线数（Lines Per Revolution）.
例如，编码器线数为1000线，指电机旋转一周，A、B相均能产生1000个脉冲信号. 每个脉冲信号代表 360°/1000=0.36°
当我们想提高分辨率时，可以对A、B相脉冲的上升沿、下降沿进行测量，从而实现原脉冲数的倍频（2倍）；而A、B相本身的90°相位差，又能实现1次倍频（2倍）.
所以，总共最多可提供脉冲信号的4倍频. 此时，A或B相一个边沿信号，代表的角度为360°/(1000x4)=0.12°
对于位置控制，当接收设备停机重启后，增量式编码器通常需要重新寻找参考零点.
霍尔编码器
霍尔编码器也是一种常用增量式编码器，结构与光电式几乎相相同，但检测原理变成了霍尔效应. 其输出和光电式相同，仍相位差90°的A、B两通道信号.
内部元件不同点：
霍尔编码器的码盘上不是线槽，而是不同的磁极，或者有些直接把电机的旋转磁场当作码盘，然后检测装置换成了霍尔传感器.
输出信号
示意图如下：
1）正转时
A相 ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐
─┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘ └─
B相 ┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌
─┘┌─┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘
Z相 ────────────────────┐ ┌─
└──┘
↑
Z相出现位置
2）反转时
A相 ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐
─┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘ └─
B相 ┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌
─┘┌─┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘
Z相 ────────────────────┐ ┌─
└──┘
↑
同一位置（相同角度）
绝对式编码器原理
绝对式编码器总体结构上与增量式类似，都由码盘、检测装置、放大整形电路构成，但具体的码盘结构和输出信号含义不同.
绝对式编码器的码盘上有很多圈线槽，被称为码道，每条码道内部线槽数量和长度都不同. 它们共同组成一套二进制编码，一条码道对应二进制数的其中一个位，通常是码盘最外侧的码道表示最低位，最内侧的码道表示最高位. 码道的数量决定了二进制编码的位数，一个绝对式编码器有N 条码道，它就能输出N 位二进制数，且输出二进制数的总个数是2N 个. 这些二进制数与转轴的机械位置是固定的，和编码器外部因素无关，所以叫做绝对式编码器.
接收设备断电重启后，绝对式编码器无需寻找参考零点.
- 简化版绝对式编码器码盘（自然二进制）
其中，白色块透光表示0，黑色块不透光表示1. 码盘上的二进制数逆时针依次增大
上图码盘有3 条码道，一共可表示23=8 个二进制数，所以整个码盘被分成了8 个扇区，每个扇区表示一个3 位二进制数，每个二进制数对应一个转轴的位置信息.
码盘采用自然二进制编码，优点：方便直观；缺点：受编码器制造和安装精度的影响.
实际应用中，二进制数的每一位不可能同时改变，或者出现码盘停在两个扇区中间，这些情况都很容易造成读数错误.
为了避免出现读数错误，可以使用格雷码来解决.
- 绝对式编码器码盘（格雷码）
码盘的码道数与上面的自然二进制码盘完全一致，也能表示8 个3 位二进制数，只不过将编
码方式换成了格雷码. 利用任意相邻的二进制格雷码数都只有一位不同的特性，采用这种编码的
码盘，一定程度上克服了自然二进制码盘容易产生读数错误的问题.
绝对式编码器还分为单圈和多圈的. 上面例子都是单圈的，即360°以内情况. 当码盘转动超过360°，输出的编码会重复，但这不符合绝对式编码器数据唯一的要求，所以就出现了多圈绝对式编码器. 多圈的，量程可超过360°，内部结构更复杂，但原理类似.
编码器常用参数
- 分辨率：指编码器能够分辨的最小单位.
对于增量式编码器，其分辨率表示为编码器转轴旋转一圈所产生的脉冲数，即脉冲数/转(Pulse Per Revolution 或PPR). 码盘上透光线槽的数目其实就等于分辨率，也叫多少线，较为常见的有5-6000 线.
对于绝对式编码器，内部码盘所用的位数就是它的分辨率，单位是位(bit)，具体还分单圈分辨率和多圈分辨率.
- 精度：指编码器每个读数与转轴实际位置间的最大误差，通常用角度、角分或角秒来表示.
例如，有些绝对式编码器参数表里会写±20′′，表示编码器输出的读数与转轴实际位置之间存在正负20 角秒的误差.
精度由码盘刻线加工精度、转轴同心度、材料的温度特性、电路的响应时间等各方面因素
共同决定.
- 最大响应频率：指编码器每秒输出的脉冲数，单位Hz.
最大响应频率= 分辨率* 轴转速/60
- 信号输出形式：
对于增量式编码器，每个通道的信号独立输出，输出电路形式通常有集电极开路输出、推挽输出、差分输出等；
对于绝对式编码器，由于直接输出几十位的二进制数，为确保传输速率和信号质量，一般采用串行输出或总线型输出，如同步串行接口(SSI)、RS485、CANopen 或EtherCAT等，也有部分并行输出，输出电路形式同增量式编码器.
参考
野火，20250510. 电机应用开发实战指南 —— 基于STM32
浙公网安备 33010602011771号