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     瑞士ELCO宜科旋轉編碼器如何使用和工作原理解析

ELCO旋轉編碼器是用來測量轉速并配合PWM技術可以實現快速調速的裝置，光電式ELCO旋轉編碼器通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量輸出（REP）。

分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術參數主要有每轉脈沖數（幾十個到幾千個都有），和供電電壓等。單路輸出是指ELCO旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的ELCO旋轉編碼器輸出兩組A/B相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉速，還可以判斷旋轉的方向。

有軸型：有軸型又可分為夾緊法蘭型、同步法蘭型和伺服安裝型等。

軸套型：軸套型又可分為半空型、全空型和大口徑型等。

以編碼器工作原理可分為：光電式、磁電式和觸點電刷式。

按碼盤的刻孔方式不同分類編碼器可分為增量式和絕對式兩類。

增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。

旋轉增量式編碼器以轉動時輸出脈沖，通過計數設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有而丟失脈沖，不然，計數設備記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的結果出現后才能知道。

解決的方法是增加參考點，編碼器每經過參考點，將參考位置修正進計數設備的記憶位置。在參考點以前，是不能保證位置的準確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點，開機找零等方法。

比如，打印機掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理，每次開機，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點，然后才工作。

這樣的方法對有些工控項目比較麻煩，甚至不允許開機找零（開機后就要知道準確位置），于是就有了絕對編碼器的出現。

絕對型旋轉光電編碼器，因其每一個位置絕對、抗、無需掉電記憶，已經越來越廣泛地應用于各種工業系統中的角度、長度測量和定位控制。

絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，它不受停電、的影響。

ELCO旋轉編碼器/增量或絕對值編碼器/拉線編碼器

ELCO旋轉編碼器/增量或絕對值編碼器/拉線編碼器(16張)

絕對編碼器由機械位置決定的每個位置的性，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗特性、數據的可靠性大大提高了。

由于絕對編碼器在定位方面明顯地優于增量式編碼器，已經越來越多地應用于工控定位中。絕對型編碼器因其高精度，輸出位數較多，如仍用并行輸出，其每一位輸出信號必須確保連接很好，對于較復雜工況還要隔離，連接電纜芯數多，由此帶來諸多不便和降低可靠性，因此，絕對編碼器在多位數輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出，德國生產的絕對型編碼器串行輸出的是SSI（同步串行輸出）。

由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環形通、暗的刻線，有光電發射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩定信號；另每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩定性就要比玻璃的差一個數量級，塑料碼盤是經濟型的，其成本低，但精度、熱穩定性、壽命均要差一些。

分辨率—編碼器以每旋轉360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉分度5~10000線。

ELCO旋轉編碼器是集光機電技術于一體的速度位移傳感器。

信號輸出有正弦波（電流或電壓）,方波（TTL、HTL）,集電極開路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅動（對稱A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設備接口應與編碼器對應。

信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計數器、PLC、計算機，PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關頻率有低有高。

如單相聯接，用于單方向計數，單方向測速。

A.B兩相聯接，用于正反向計數、判斷正反向和測速。

A、B、Z三相聯接，用于帶參考位修正的位置測量。

A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對稱負信號的連接，在后續的差分輸入電路中，將共模噪聲抑制，只取有用的差模信號，因此其抗能力強，可傳輸較遠的距離。

對于TTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達150米。

ELCO旋轉編碼器由精密器件構成，故當受到較大的沖擊時，可能會損壞內部功能，使用上應充分注意。

安裝

安裝時不要給軸施加直接的沖擊。

編碼器軸與機器的連接，應使用柔性連接器。在軸上裝連接器時，不要硬壓入。即使使用連接器，因安裝不良，也有可能給軸加上比允許負荷還大的負荷，或造成撥芯現象，因此，要特別注意。

軸承壽命與使用條件有關，受軸承荷重的影響特別大。如軸承負荷比規定荷重小，可大大延長軸承壽命。

不要將ELCO旋轉編碼器進行拆解，這樣做將有損防油和防滴性能。防滴型產品不宜長期浸在水、油中，表面有水、油時應擦拭干凈。

振動

加在ELCO旋轉編碼器上的振動，往往會成為誤脈沖發生的原因。因此，應對設置場所、安裝場所加以注意。每轉發生的脈沖數越多，旋轉槽圓盤的槽孔間隔越窄，越易受到振動的影響。在低速旋轉或停止時，加在軸或本體上的振動使旋轉槽圓盤抖動，可能會發生誤脈沖。

關于配線和連接

誤配線，可能會損壞內部回路，故在配線時應充分注意：

配線應在電源OFF狀態下進行，電源接通時，若輸出線接觸電源，則有時會損壞輸出回路。

若配線錯誤，則有時會損壞內部回路，所以配線時應充分注意電源的極性等。

若和高壓線、動力線并行配線，則有時會受到感應造成誤動作成損壞，所以要分離開另行配線。

延長電線時，應在10m以下。并且由于電線的分布容量，波形的上升、下降時間會較長，有問題時，采用施密特回路等對波形進行整形。

為了避免感應噪聲等，要盡量用最短距離配線。向集成電路輸入時，特別需要注意。

電線延長時，因導體電阻及線間電容的影響，波形的上升、下降時間加長，容易產生信號間的（串音），因此應用電阻小、線間電容低的電線（雙絞線、屏蔽線）。

對于HTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達300米。

ELCO旋轉編碼器是集光機電技術于一體的速度位移傳感器。

增量式

增量式編碼器軸旋轉時，有相應的相位輸出。其旋轉方向的判別和脈沖數量的增減，需借助后部的判向電路和計數器來實現。其計數起點可任意設定，并可實現多圈的無限累加和測量。還可以把每轉發出一個脈沖的Z信號，作為參考機械零位。當脈沖已固定，而需要提高分辨率時，可利用帶90度相位差A，B的兩路信號，對原脈沖數進行倍頻。

絕對值

絕對值編碼器軸旋轉器時，有與位置一一對應的代碼（二進制，BCD碼等）輸出，從代碼大小的變更即可判別正反方向和位移所處的位置，而無需判向電路。它有一個絕對零位代碼，當停電或關機后再開機重新測量時，仍可準確地讀出停電或關機位置地代碼，并準確地找到零位代碼。一般情況下絕對值編碼器的測量范圍為0～360度，但特殊型號也可實現多圈測量。

正弦波

正弦波編碼器也屬于增量式編碼器，主要的區別在于輸出信號是正弦波模擬量信號，而不是數字量信號。它的出現主要是為了滿足電氣領域的需要－用作電動機的反饋檢測元件。在與其它系統相比的基礎上，人們需要提高動態特性時可以采用這種編碼器。

為了保證良好的電機控制性能，編碼器的反饋信號必須能夠提供大量的脈沖，尤其是在轉速很低的時候，采用傳統的增量式編碼器產生大量的脈沖，從許多方面來看都有問題，當電機高速旋轉（6000rpm）時，傳輸和處理數字信號是困難的。

在這種情況下，處理給伺服電機的信號所需帶寬（例如編碼器每轉脈沖為10000）將很容易地超過MHz門限；而另一方面采用模擬信號大大減少了上述麻煩，并有能力模擬編碼器的大量脈沖。這要感謝正弦和余弦信號的內插法，它為旋轉角度提供了計算方法。這種方法可以獲得基本正弦的高倍增加，例如可從每轉1024個正弦波編碼器中，獲得每轉超過1000，000個脈沖。接受此信號所需的帶寬只要稍許大于100KHz即已足夠。內插倍頻需由二次系統完成。

信號序列

一般編碼器輸出信號除A、B兩相（A、B兩通道的信號序列相位差為90度）外，每轉一圈還輸出一個零位脈沖Z。

當主軸以順時針方向旋轉時，按圖1輸出脈沖，A通道信號位于B通道之前；當主軸逆時針旋轉時，A通道信號則位于B通道之后。從而由此判斷主軸是正轉還是反轉。

正弦輸出編碼器輸出的差分信號如圖2所示：

零位信號

編碼器每旋轉一周發一個脈沖，稱之為零位脈沖或標識脈沖，零位脈沖用于決定零位置或標識位置。要準確測量零位脈沖，不論旋轉方向，零位脈沖均被作為兩個通道的高位組合輸出。由于通道之間的相位差的存在，零位脈沖僅為脈沖長度的一半。

預警信號

有的編碼器還有報警信號輸出，可以對電源故障，發光二極管故障進行報警，以便用戶及時更換編碼器。

NPN/PNP開路集電極輸出（NPN/PNP Open Collector)

圖3 NPN開路集電極輸出

圖3 NPN開路集電極輸出

最基本的輸出方式，抗能力差，輸出有效距離短。在ELCO旋轉編碼器中用于增量型編碼器輸出，現已較少使用。

傳輸介質：所有導線，光纖，無線電

高頻特性：佳

線驅動（TTL/RS422）

對稱的正負信號輸出，抗能力強，最大傳輸距離1000m.

傳輸介質：雙絞線

高頻特性：佳

在ELCO旋轉編碼器乃至現今工業控制系統作為電氣連接接口使用非常普遍。

推挽輸出（Push-Pull)

組合了PNP和NPN兩種輸出，對稱的正負信號輸出，可以方便地駁接單端接收，抗能力強，（差分接收）；最大傳輸距離100m。

傳輸介質：雙絞線（差分接收）；所有導線，光纖，無線電（單端接收）。

高頻特性：好

其它

其它的接口方式還有RS232（C），RS485以及絕對編碼器常用的SSI，各種現場總路線（如Profibus,Devicenet,CANopen等）

輸出脈沖數/轉

ELCO旋轉編碼器轉一圈所輸出的脈沖數發，對于光學式ELCO旋轉編碼器，通常與ELCO旋轉編碼器內部的光柵的槽數相同（也可在電路上使輸出脈沖數增加到槽數的2倍4倍）。

分辨率

分辨率表示ELCO旋轉編碼器的主軸旋轉一周，讀出位置數據的最大等分數。絕對值型不以脈沖形式輸出，而以代碼形式表示當前主軸位置（角度）。與增量型不同，相當于增量型的“輸出脈沖/轉” 。

光柵

光學式ELCO旋轉編碼器，其光柵有金屬和玻璃兩種。如是金屬制的，開有通光孔槽；如是玻璃制的，是在玻璃表面涂了一層遮光膜，在此上面沒有透明線條（槽）。槽數少的場合，可在金屬圓盤上用沖床加工或腐蝕法開槽。在耐沖擊型編碼器上使用了金屬的光柵，它與金屬制的光柵相比不耐沖擊，因此在使用上請注意，不要將沖擊直接施加于編碼器上。

最大響應頻率是在1秒內能響應的最大脈沖數（例：最大響應頻率為2KHz，即1秒內可響應2000個脈沖）

公式如下：

最大響應轉速（rpm）/60×（脈沖數/轉）=輸出頻率Hz

最大響應轉速是可響應的最高轉速，在此轉速下發生的脈沖可響應公式如下：

最大響應頻率（Hz）/ （脈沖數/轉）×60=軸的轉速rpm

輸出波形輸出脈沖（信號）的波形。

輸出信號相位差

二相輸出時，二個輸出脈沖波形的相對的的時間差。

輸出電壓

指輸出脈沖的電壓。輸出電壓會因輸出電流的變化而有所變化。各系列的輸出電壓請參照輸出電流特性圖

起動轉矩

使處于靜止狀態的編碼器軸旋轉必要的力矩。一般情況下運轉中的力矩要比起動力矩小。

軸允許負荷

表示可加在軸上的最大負荷，有徑向和軸向負荷兩種。徑向負荷對于軸來說，是垂直方向的，受力與偏心偏角等有關；軸向負荷對軸來說，是水平方向的，受力與推拉軸的力有關。這兩個力的大小影響軸的機械壽命

軸慣性力矩

該值表示旋轉軸的慣量和對轉速變化的阻力

轉速

該速度指示編碼器的機械載荷限制。如果超出該限制，將對軸承使用壽命產生負面影響，另外信號也可能中斷。

格雷碼

格雷碼是高級數據，因為是單元距離和循環碼，所以很安全。每步只有一位變化。數據處理時，格雷碼須轉化成二進制碼。

工作電流

指通道允許的負載電流。

工作溫度

參數表中提到的數據和公差，在此溫度范圍內是保證的。如果稍高或稍低，編碼器不會損壞。當恢復工作溫度又能達到技術規范

工作電壓

編碼器的供電電壓

要避免與編碼器剛性連接，應采用板彈簧。

安裝時編碼器應輕輕推入被套軸，嚴禁用錘敲擊，以免損壞軸系和碼盤。

長期使用時，請檢查板彈簧相對編碼器是否松動；固定倍恩編碼器的螺釘是否松動。

實心軸編碼器

編碼器軸與用戶端輸出軸之間采用彈性軟連接，以避免因用戶軸的串動、跳動而造成BEN編碼器軸系和碼盤的損壞。

安裝時請注意允許的軸負載。

應保證編碼器軸與用戶輸出軸的不同軸度<0.20mm，與軸線的偏角<1.5°。

安裝時嚴禁敲擊和摔打碰撞，以免損壞軸系和碼盤。

電器方面

接地線應盡量粗，一般應大于φ3。

編碼器的信號線不要接到直流電源上或交流電流上，以免損壞輸出電路。

編碼器的輸出線彼此不要搭接，以免損壞BEN編碼器輸出電路。

與編碼器相連的電機等設備，應接地良好，不要有靜電。

開機前，應仔細檢查，產品說明書與BEN編碼器型號是否相符，接線是否正確。

配線時應采用屏蔽電纜。

長距離傳輸時，應考慮信號衰減因素，選用輸出阻抗低，抗能力強的輸出方式。

避免在強電磁波環境中使用。

環境方面

編碼器是精密儀器，使用時要注意周圍有無振源及源。

請注意環境溫度、濕度是否在儀器使用要求范圍之內。

不是防漏結構的編碼器不要濺上水、油等，必要時要加上防護罩絕對是相對于增量而言的，顧名思義，所謂絕對就是編碼器的輸出信號在一周或多周運轉的過程中，其每一位置和角度所對應的輸出編碼值都是對應的，如此，便具備掉電記憶之功能也。

絕對編碼器由機械位置決定的每個位置是的，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗特性、數據的可靠性大大提高了