在數(shù)字時代，需要快速高效地測量電機(jī)或旋轉(zhuǎn)儀器旋鈕上的機(jī)械軸的旋轉(zhuǎn)。諸如電位計和旋轉(zhuǎn)開關(guān)之類的模擬方法正在被可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動直接數(shù)字化的旋轉(zhuǎn)編碼器所取代，但設(shè)計人員需要能夠理解各種編碼器類型之間的差異，并準(zhǔn)確解析編碼器的數(shù)字輸出。
本文將介紹旋轉(zhuǎn)編碼器的作用及其工作原理。然后說明如何解釋其信號，最后再介紹幾個編碼器解決方案及其實際應(yīng)用。
旋轉(zhuǎn)編碼器的作用
旋轉(zhuǎn)編碼器是一種測量機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)的傳感器。軸可位于電機(jī)上，旋轉(zhuǎn)編碼器就在這里讀取角位置或轉(zhuǎn)速。它們還可以讀取儀器或設(shè)備前面板上的表盤、旋鈕或其他電子控制裝置的角位置，替代電位計和旋轉(zhuǎn)開關(guān)。
讓我們來看看家電上的定時器控制裝置。在以前的模擬時代，可使用可變電阻器或電位計來感測該控制裝置的位置。利用當(dāng)今基于微處理器的設(shè)計，旋轉(zhuǎn)編碼器可生成更高效的數(shù)字輸入。
編碼器還可以用在控制系統(tǒng)中，為機(jī)械零件提供反饋，讓它進(jìn)行移動以正確響應(yīng)控制命令。無論是汽車還是機(jī)器人設(shè)備中的控制系統(tǒng)，編碼器都可以為控制微處理器提供必要的感測。像單匝電位計這樣的舊式解決方案感測不到軸的完整旋轉(zhuǎn)，但旋轉(zhuǎn)編碼器可感測完整旋轉(zhuǎn)且無需停止。
旋轉(zhuǎn)編碼器將這些機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為可發(fā)送到處理器進(jìn)行解析的電信號。根據(jù)編碼器的電輸出，可以推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)方向、角位置和旋轉(zhuǎn)速度。與電位計相比，旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字輸出使得這個過程更簡單。
旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理
編碼器主要有兩種類型，增量編碼器和絕對編碼器。增量編碼器讀取角度位移的變化，而絕對編碼器讀取編碼軸的絕對角度。它們是使用了三種常用技術(shù)來實現(xiàn)的，即光學(xué)、機(jī)械或磁性技術(shù)。
光學(xué)編碼器采用編碼圓盤構(gòu)造，碼盤具有透光和遮光區(qū)段，可讓光透過特定區(qū)域。光電二極管在碼盤兩側(cè)使用 LED 和光電二極管（圖 1），光電二極管檢測透過碼盤的光，并輸出對應(yīng)碼盤區(qū)段上透光和遮光圖案的脈沖波形。
圖 1：增量式和絕對式碼盤示例。增量式碼盤產(chǎn)生兩個方波信號，它們之間有 90° 的相位差。絕對式碼盤輸出二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
圖 1 中的絕對式碼盤有四個輸出，為碼盤上每個區(qū)段提供唯一的二進(jìn)制代碼，在此例中該代碼為 16（表 1）。二進(jìn)制代碼的替代方案是格雷碼，它是一種相鄰二進(jìn)制字間僅差一個位元改變的二進(jìn)制代碼。
| 區(qū)段編號扇區(qū)范圍（度）二進(jìn)制代碼0360/0 - 22.50000122.5 - 450001245 - 67.50010367.5 - 900011490 - 112.501005112.5 - 13501016135 - 157.501107157.5 - 18001118180 - 202.510009202.5 - 225100110225 - 247.5101011247.5 - 270101112270 - 292.5110013292.5 - 315110114315 - 337.5111015337.5 - 360/01111 |
表 1：四位絕對編碼器的十六個二進(jìn)制狀態(tài)。（表格來源：Digi-Key Electronics）
增量式碼盤生成的圖案由兩個方波組成，相位差為 90°，稱為正交輸出。也可以使用單行圖案和兩個移位相當(dāng)于 90° 相移的光電傳感器實現(xiàn)此輸出。
正交增量編碼器的輸出通常稱為“A”和“B”。編碼器還可以包括第三脈沖，每轉(zhuǎn)一次產(chǎn)生一個脈沖，被稱為索引脈沖，提供已知的物理參考。通過將索引脈沖與正交輸出相結(jié)合，可以計算出絕對軸方向。
通過獲取兩個具有 90° 相移的輸出，不僅可以感測角度旋轉(zhuǎn)，還可以感測旋轉(zhuǎn)方向（圖 2）。
圖 2：正交信號之間的相位關(guān)系可確定編碼器碼盤的運(yùn)動方向。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
編碼器軸順時針旋轉(zhuǎn)時，A 波形將引導(dǎo) B 波形。如果旋轉(zhuǎn)方向變?yōu)槟鏁r針方向，則信號 B 將引導(dǎo)信號 A。
利用兩個正交信號，可以解析每個周期的四種狀態(tài)。單個周期內(nèi)的狀態(tài)為 A = 1 和 B = 0、A = 1 和 B = 1、A = 0 和 B = 1 以及最后的 A = 0 和 B = 0。這意味著正交輸出編碼器的角度分辨率是每轉(zhuǎn)額定脈沖數(shù) (PPR) 的四倍。
通過在示波器上查看和測量光學(xué)編碼器的正交輸出，可以得到輸出之間的相位關(guān)系（圖 3）。A 信號顯示在上方跡線中，而 B 信號顯示在下方跡線中。設(shè)置示波器相位參數(shù) P1 來測量 A 和 B 信號之間的相位差。兩個信號之間的平均相位差為 90.4?。
圖 3：每轉(zhuǎn) 512 脈沖數(shù)光學(xué)編碼器的正交輸出顯示了 A 和 B 信號輸出間的相位關(guān)系（圖片來源：Digi-Key Electronics）
在該示例中僅使用單個 A 輸出，因為編碼器被用作轉(zhuǎn)速計，測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。使用示波器參數(shù) P2 測得 A 信號的頻率為 28.87 千赫茲 (kHz)。此數(shù)值除以每轉(zhuǎn) 512 脈沖數(shù) (PPR) 轉(zhuǎn)換為軸速度，然后乘以 60 得到軸角速度（單位為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) (RPM)），即參數(shù) P3 中的讀數(shù) 3383 RPM。
基于這些數(shù)字，該編碼器的 512 PPR 可提供 0.7 度的基本分辨率。通過解析 A/B 狀態(tài)，分辨率則可達(dá) 0.175?。
光學(xué)編碼器在所有編碼器類型中分辨率最高，這是其天生優(yōu)勢。由于其成本較低，因此很適合價格低廉的低端應(yīng)用。缺點是，它們可能較為笨重。
機(jī)械編碼器使用一個旋轉(zhuǎn)碼盤，其中包含與光學(xué)編碼器所用圖案相同的同心環(huán)。在這些同心環(huán)中，圖案由導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)組成。固定電刷觸點在旋轉(zhuǎn)碼盤上滑動，與每個環(huán)接觸，起到開關(guān)的作用。隨著觸點在碼盤表面來回刷動，在刷過導(dǎo)電區(qū)時進(jìn)行接觸，或在刷過絕緣區(qū)時斷開。通過這種方式為每個環(huán)開發(fā)出一個數(shù)字圖案。
機(jī)械編碼器可能出現(xiàn)的一個問題是觸點抖動會引起噪聲。通過使用低通濾波可以消除此類噪聲，或在抖動噪聲消失后使用軟件查看輸出狀態(tài)。
機(jī)械編碼器通常是最便宜的編碼器類型。它們在電子前面板上通常作為用戶接口設(shè)備，用來取代電位計。
磁性旋轉(zhuǎn)編碼器使用了一塊多極圓形磁鐵。通過霍爾效應(yīng)或磁阻傳感器來檢測交替的南北磁極，隨著磁鐵轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生正交電輸出。與光學(xué)編碼器一樣，磁性編碼器為非接觸式，相比接觸式機(jī)械編碼器，操作時速度更高，持續(xù)時間更長。
使用旋轉(zhuǎn)編碼器
旋轉(zhuǎn)編碼器的機(jī)電特性要求其與機(jī)械裝置連接，或需要用戶操作。在電子設(shè)備上用作控制接口時，編碼器會使用實心軸，并且通常使用面板安裝襯套安裝在控制面板上，同時會使用五金件進(jìn)行固定。
設(shè)計人員可以選擇諸如棘爪之類的選件，以便在編碼器旋轉(zhuǎn)時引起機(jī)械“咔嗒”聲，從而為用戶提供編碼器軸正在移動的觸覺反饋。設(shè)計人員還可以選擇一個瞬時接觸開關(guān)，通過按下編碼器軸來激活。
旨在安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)器（如電機(jī)或伺服電機(jī)）上的編碼器有空心軸或盲軸兩種選擇（圖 4）。
圖 4：采用空心軸或盲軸配置的編碼器旨在安裝在電機(jī)或其他機(jī)電設(shè)備上。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
空心軸編碼器安裝在電機(jī)或類似機(jī)械裝置的軸上。這樣可確保其與被監(jiān)控設(shè)備同心安裝，避免出現(xiàn)不對稱或角度誤差。盲軸是深度有限的空心軸，用于將編碼器安裝在電機(jī)軸的端部。
編碼器選擇和應(yīng)用
旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇取決于應(yīng)用要求和環(huán)境以及成本限制。
CTS Electronic Components 的 291V1022F832AB 是一種光學(xué)增量編碼器，具有 8 PPR 角度分辨率，采用 5 伏電源供電（圖 5）。291 系列支持 4 到 64 PPR 的 PPR 分辨率，提供不同的軸類型和長度以及棘爪選擇，還可搭配一個一體式開關(guān)。該編碼器的額定旋轉(zhuǎn)壽命高達(dá) 300 萬轉(zhuǎn)。
圖 5：旨在用作面板安裝控制裝置的帶有典型螺紋襯套、鎖緊墊圈和鎖緊螺母的 CTS 291V1022F832AB。（圖片來源：CTS）
CTS 291系列光學(xué)編碼器非常適合用于儀器控制應(yīng)用，包括醫(yī)療和實驗室設(shè)備、通信、工業(yè)、HVAC、運(yùn)輸、安全、音頻和家庭娛樂設(shè)備。
Bourns Inc. 的 EMS22Q51-D28-LT4 是一款 32 PPR 至 256 PPR 增量式磁性編碼器，采用 5 伏或 3.3 伏電源供電。該器件是 EMS22Q 系列非接觸式編碼器的一員，支持 32 至 256 PPR 角度分辨率。與之前的編碼器一樣，它具有多種可用的軸和襯套配置，但額定旋轉(zhuǎn)壽命達(dá) 5000 萬轉(zhuǎn)。這些編碼器非常適合用于溫度極端、潮濕和存在顆粒污染的惡劣工業(yè)環(huán)境。
此外，與許多編碼器一樣，該設(shè)備的連接和使用很簡單（圖 6）。
圖 6：EMS22Q51-D28-LT4 的引腳詳細(xì)信息（左側(cè)插圖）和框圖顯示了將 256 PPR 增量磁性非接觸式編碼器連接到微控制器的簡易性。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
EMS22Q 系列有六個引腳。電源和接地引腳各一個，連接微控制器或微處理器的低有效片選一個，索引引腳一個，數(shù)據(jù)引腳兩個（A 和 B）。得到的正交輸出如圖 7 所示。
圖 7：PPR 范圍為 32 至 256 的 EMS22Q 產(chǎn)生的正交輸出。（圖片來源：Bourns Inc.）
機(jī)械編碼器對于低成本和業(yè)余愛好者應(yīng)用設(shè)備的設(shè)計人員來說，非常有用，如 TT Electronics 的 EN11-HSM1AF15 20 PPR 編碼器。該編碼器屬 EN11 系列，提供 15 或 20 PPR 的角度分辨率、各種軸和襯套長度、可選開關(guān)以及多種棘爪配置選擇。該編碼器采用 5 伏電源供電，價格約為光學(xué)編碼器的十分之一，旋轉(zhuǎn)壽命為 30,000 轉(zhuǎn)。
總結(jié)
旋轉(zhuǎn)編碼器可快速有效地感測前面板控制裝置、機(jī)器人手臂或旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸的角度旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，填補(bǔ)了相關(guān)需求。增量編碼器或絕對編碼器為微處理器或微控制器提供了必要的接口，可感測和控制機(jī)電系統(tǒng)組件。
