多圈绝对值增量编码器

电子增量计圈，通过电池记忆圈数，实际上是单圈绝对，多圈增量，好处是省掉了一组机械齿轮，经济、体积小且没有圈数限制，似乎也不错，但是他毕竟是多圈增量的，不能算真正意义上的绝对值，什么是真正意义上的绝对值？就是不依赖于前次历史的直接读数。

它在停电后，由于电池低功耗的要求，移动的速度与范围其实是有限制的，另外加上电池的因数，可靠性方面还是要有疑问的，例如高速中的漏圈、干扰中的错圈、正好在12点钟位置的抖动错圈、电池失效错圈。

尤其是如果计圈的失误，反而无法找到原来的绝对位置。

事实上，很多人理解用绝对值，都是停电后移动的问题，却不了解德国人在运动控制中用机械真多圈绝对值的真正用意，由于真正的绝对值是不依赖于前次历史的直接读数，那么，在高速中，跟本不用担心丢数据，在运动控制中，也不需要一直去跟读编码器的数值，再加上EnDat 等快速通讯，可以节省出大量的时间来完成其他的运算，从而来解决高速同步，多轴联动等问题。

另外，上面说到，机械多圈绝对值，其停电后可移动位置是1/2圈数，例如4096圈中的2048圈，而不是4096圈，因为停电后的移动是可能正转或反转，考虑到绝对值的唯一性，可移动位置是实际是2048圈。

关于传感器的分辨与精度的理解，可以用我们所用的机械指针式手表来打这样一个比喻：时针的分辨率是小时，分针的分辨率是分钟，秒针的分辨率是秒。

眼睛反应快的，通过秒针在秒间隙中运动，我们大概能分辨至约0.3秒，这是三针式机械手表都可能做到的。

而精度是什么呢？就是每个手表对标准时间的准确性，这是每个手表都不相同的（有越走越快的，有越走越慢的。

大致都是精确在1至30秒之间）。

同样的，在旋转编码器的使用中，分辨率与精度是完全不同的两个概念。

一、编码器的分辨率：是指编码可读取并输出的最小角度变化。

对应参数有：每圈刻线数（Line)、每转脉冲数（PPR)、最小步距（Step)、位（Bit)等。

线（Line)：就编码器的码盘光学刻线数（如图）。

如果这些刻线是直接以方波形式输出的，那么这一转（圈）刻线的脉冲数（PPR）就是编码器的单转（圈）“分辨率”。

跟据电子电路工艺上的不同和现实中的要求，就出现了A、B、Z三相信号输出（如图）。

由于A、B两相信号相差1/4的脉冲周期，通过A、B相的上升下降沿对比判断，就可以获得1/4脉冲周期的变化“步距”（4倍频），这就是最小测量步距（Step)了。

跟据步距（Step)算编码器的单圈分辨率就又有了新的算法就是：4倍PPR（即：4倍刻线数）。

不过现实中我们还是以“刻线数”来表示编码器的分辨率，在通讯数据输出型编码器或绝对值编码器，其分辨率是以多少“位”（即：2的幂次方）来表示。

还有严格地讲，方波最高只能做4倍频，虽然有人用时差法可以分得更细，但那基本不是增量编码器推荐的，更高的分频要用增量脉冲信号是SIN/COS类正余弦的信号来做，后续电路可通过读取波形相位的变化，用模数转换电路来细分，5倍、10倍、20倍，甚至100倍以上，分好后再以方波波形输出（PPR）。

分频的倍数实际是有限制的，首先，模数转换有时间响应问题，模数转换的速度与分辨的精确度是一对矛盾，不可能无限细分，分的过细，响应与精准度就有问题；其次，原编码器的刻线精度，输出的类正余弦信号本身一致性、波形完美度是有限的，分的过细，只会把原来码盘的误差暴露得更明显，而带来错误。

细分做起来容易，但要做好却很难，其一方面取决于原始码盘的刻线精度与输出波形完美度，另一方面取决于细分电路的响应速度与分辨精准度。

例如：德国海德汉的ROD486编码器，3600刻线数---方波输出（即：3600ppr）。

一个“脉冲周期”刚好是0.1个角度（0.1度），通过A、B相位差4倍频后，可得0.025度的测量步距。

而其精度为18"(对应0.005度）计算方式：360角度/3600ppr=0.1度/4倍频＝0.025度德国海德汉的ROD486编码器，3600刻线数---正余弦信号输出，可进行25倍电子细分获得90000ppr的脉冲。

脉冲周期为0.004度，通过A、B相4倍频后可获得0.001度的最小测量步距。

而其原始编码器的精度也是18"(对应0.005度，不含细分误差）计算方式：360角度/3600*25PPR＝0.004度/4倍频＝0.001度德国海德汉的工业编码器，推荐的最佳电子细分是20倍，更高的细分是其推荐的精度更高的角度编码器，但要求旋转的速度是很低的。

二、编码器的精度：是指编码器输出的信号数据与被测量物理量的真实数据的误差和准确度。

对应参数有：角分（＇)、角秒(＂)。

三、精度与分辨率的关系编码器的精度与分辨率有点关系，但也不只是与分辨率有关系。

实际上影响编码器的精度，包括“分辨率”有以下四部分要素。

1、光学部分：1> 光学码盘---每圈刻线数、母板精度、刻线精度、刻线宽度一致性、边缘精整性等2> 光发射源---光的平行与一致性、光衰减3> 光接收单元---读取夹角、读取响应2、机械部分：1> 轴的加工精度与安装精度2> 轴承的精度与安装精度（双轴承结构可有效降低单个轴承的偏差）3> 码盘安装的同心度、光学组件安装的精度3、电气部分：1> 电源稳定性---对光的发射源与接收单元的影响2> 读取响应与电气处理电路带来的误差（包括“电子细分”也会带来误差）4、使用中的安装与传输接收部分：1> 与测量转轴连接的同心度2> 转出电缆的抗干扰能力与信号延迟3> 接收设备的响应与接收设备内部处理可能的误差综上所述：编码器的精度与分辨率有一点关系；例如：德国海德汉ROD400系列，其5000线以下的“精度”为刻线宽度的1/20,但这仅仅只是光学部分的刻线数（刻线数越多、越密，精度越高）。

不过也不能只看这一点，比如以下例子就与分辨率无关了，例如：还是德国海德汉的ROD400系列5000-10000线的“精度”为12"-15"，角度编码器9000-36000线的、200系列的精度都是5"，700系列的为2"，800系列的为1"，900系列的为0.4"今天，和大家谈谈编码器的等级，希望大家可以从编码器的等级来了解编码器的差别。

编码器根据使用情况，大致可分为商用级与芯片级、经济级、标准工业级、各类特殊工业使用级。

商用级与芯片级：比如打印机，磁卡机内部的编码器，构造简单，很多外壳都没有的，几乎不用谈温度、防尘防水和电磁兼容的，价格极其便宜。

芯片级：价格很低，目前国外一些半导体芯片厂家提供，或下游厂家简单封装的，无外壳或简单外壳，电源和信号仅简单处理，适用于厂家二次电路开发，接收线路距离编码器不宜超过50cm，一些流量计、阀门电调厂家选用此等级，该类编码器的防护与电磁兼容抗干扰，应由二次开发的厂家去兼顾的，如不了解，较易造成损坏。

经济级与工业级：经济级的已有简单封装与简单处理，适用于单机设备，例如绣花机类的，但经济级的特点就是与工业级比较的经济性，其设计与选材都定位在经济实惠上，并不适合大型设备、流水线和工程项目，而工业级的设计、选材与检测都是按标准工业要求做的，适合于各种工业设备、流水线和工程项目，两种级别的典型区别，可从外观和参数表上看到的差别如下：1．轴承经济级的转轴轴承为单轴承，（芯片级的有些都不用滚珠轴承），有些经济级的轴承外部是由卡子固定，可以看到卡簧（如下图），有些较聪明,轴承前面加个零件遮住了卡簧，单轴承的在使用一段时间后，由于受力支撑的单一，精度自然就难以保证了，密封性也差些。

而工业级的是双滚珠轴承结构，多平衡支撑点，轴的精密性、抗冲击性、密封性都要高。

双轴承的结构，对于轴的加工精度和安装精度要求很高，因为如果精度不够，因两个轴承的相互作用，转起来就有“卡”的感觉，所以拿着轴转一下，也可以感觉到轴的精密性。

奇怪的是，有些标称“高精度”的编码器，轴承也是单轴承方法，其“高精度”在长期使用下，我不知是如何保证的。

2．外壳封装经济级的外壳封装依赖于三个螺丝固定（在编码器的外壳外径上如有三个螺丝固定，由于螺丝的顶入，而造成外圆轻微变形而不圆，会影响密封性能），而工业级的外壳没有螺丝固定，密封是挤压式+O型密封圈一次密封的。

有些用户以为工作环境没有尘、水汽的问题，怎么还会损坏呢？其实编码器在使用中，必然有开机与停机的变化中，由于热胀冷缩的温差而造成内外气压差，防护等级差的编码器，会产生“呼吸性”水汽，由于压差水汽吸入编码器，因时间的积累而损坏光学组件和电气线路，影响使用或损坏编码器，较典型的是用一段时间不准或信号不稳定。

而有些编码器在较高温度下使用出现问题，以为是温度问题，实际却是密封性问题。

3．温度等级经济级的一般只有-10度~60度，一般不会超过70度，而工业级的工作温度一般为零下20度~70度，好的为零下25度~80度的。

温度等级其实反映的是内部零件选用的等级，大家要知道，一般民用级电子零件的温度大部分是到55度或60度，而到70度以上的优级工业级零件价格常常就会贵一倍以上，不同的等级不仅仅是温度问题，而且是其在使用中反映的失效概率。

而宽范围不仅仅是可适用于这些极限温度范围，而且抗温度冲击波动的能力好。

有些用户以为使用的环境到不了这些温度极限范围，55度就够了，但他们忽视了开机关机等温度冲击波动可能对器件的损坏，以及内部芯片的失效概率。

4．输出信号与电源经济级的输出大部分是集电极开路的PNP或NPN，电源与信号没有极性保护和短路保护，集电极开路输出为单边非平衡形。

抗干扰与信号远传要差，在有些工况下使用，尤其是工程型，其实是很不适用的。

而工业级的输出是推挽式（兼顾PNP与NPN），或差分驱动的平衡输出，或其他标准工业信号。

例如SSI信号，有些经济级的也标为SSI，但那个并非标准工业级RS422的SSI，买回来连起来才发现不对；工业级的电源为10-30Vdc，长距离压降衰减不影响，信号线往往带短路保护。

很多工业现场电源会有短瞬间的不稳定，宽电源很重要，确保编码器工作不受影响，而极性短路保护可避免工程及检修中的接错线、偶发事故而损坏编码器。

5．电磁兼容性经济级电磁兼容等级不是很高，基本没有为此的特别设计，而工业级电磁兼容性EMC一般要达到二级以上，（必须有检测标准及提供检测证书），包括浪涌、快速脉冲群、静电等标准测试，这些指标，关系到编码器在复杂电气环境下的稳定工作。

6．内部零件：内部零件从外观上和参数表上无法看到，工业级的往往集成化、模块化高，线路板贴片式焊接，有三防处理。

7．检测程序与标准及最后的成本：标准工业级编码器，由于构造设计及零部件的选用，零部件成本可能是经济级编码器成本的几倍以上，再加上检测程序与标准均高于经济级，所以，工业级的编码器的成本远高于经济的。