旋转编码器：工作原理、增量式与绝对式区别及选型要点

旋转编码器是把轴的旋转运动转换为电信号的测量传感器，用来检测旋转角度（位置）和转速；与丝杠等机械传动件配合时，也可以间接测量直线位移。典型应用包括电机、机床、印刷机械、木工机械、纺织机械、机器人与搬运设备，以及各类测量、试验和检测设备。

测量原理

工业上最常见的是光电式旋转编码器。它的码盘上刻有周期性的刻线（光栅），载体多为玻璃或钢。光源发出的光经过码盘和扫描光栅后被调制，光电元件把光强的变化转换成近似正弦的电信号。光电扫描不接触码盘，因此没有磨损。

除光电式外，还有磁电式和电感式。磁电式编码器由传感芯片检测随轴旋转的永磁体产生的磁场，再把每个角度位置对应的磁场矢量转换成电信号；电感式编码器由刻度结构调制高频信号的幅值和相位，再对沿圆周均匀分布的接收线圈取样得到位置值。

增量式与绝对式

增量式编码器的码盘是一圈周期性光栅，位置通过从某个起点开始对增量（测量步距）计数得到。为了建立绝对参考，码盘上另有一条带参考标记的轨道。因此上电后要先扫过参考标记，才能建立绝对基准或找回上次设定的原点。

绝对式编码器的码盘是绝对编码结构，每个位置对应唯一的位码，通常采用格雷码。上电后立即就能给出位置值，后续电子设备可以随时读取，不需要移动轴去寻找参考点；断电期间轴的转动，在重新上电后也能检测到。

绝对式又分单圈和多圈：单圈编码器每转一圈重复一次绝对位置信息，多圈编码器还能区分圈数。多圈计数有用齿轮机构实现的，也有靠后备电池保持圈数的。以海德汉的产品为例，常见多圈范围是 4096 圈，部分电池缓冲型号可达 65 536 圈。

输出信号与接口

旋转编码器的输出大致分为增量信号、串行接口和总线接口三类，部分型号还提供模拟量输出。

• 正弦信号 1 Vpp：A、B 两路正弦增量信号相位差 90°（电角度），典型幅值 1 Vpp，另有与增量信号一一对应的参考标记信号；后续电子设备可以对它做高倍细分。
• 方波信号 TTL / HTL：编码器内部电路把正弦扫描信号数字化（可带细分），输出相位差 90° 的方波脉冲和参考脉冲，并同时输出各路的反相信号，提高传输抗干扰能力（HTLs 型不带反相信号）。
• 串行接口：绝对式编码器常用 EnDat、SSI 等串行接口传送位置值。EnDat 是数字式双向接口，既能传送位置值，也能读写编码器内存储的信息，只需要四根信号线。
• 现场总线与工业以太网：如 PROFIBUS-DP、PROFINET IO，编码器直接接入总线。
• 数控系统专用接口：如 FANUC 串行接口、西门子 DRIVE-CLiQ，用于和对应品牌的数控系统直接连接。

分辨率与输出频率

增量式编码器的分辨率通常用每转刻线数（信号周期数）表示。对相位差 90° 的两路方波，可以按 1 倍、2 倍或 4 倍沿计数，两个相邻计数沿之间就是一个测量步距；按 4 倍计数时，每转的计数值是刻线数的 4 倍。绝对式编码器的分辨率一般用每转位置数（位数）表示，例如 13 位即每转 8192 个位置，25 位即每转 33 554 432 个位置。

刻线数和转速一起决定输出频率：f = n/60 × z，其中 f 是输出频率（Hz），n 是转速（r/min），z 是每转信号周期数。例如 2048 线的编码器在 3000 r/min 时，输出频率约为 102.4 kHz。选型时要确认最高转速下的输出频率不超过编码器和后续计数设备的允许值。

精度

分辨率不等于精度。旋转编码器的测量精度主要取决于：径向光栅的刻线方向偏差、码盘相对轴承的偏心、轴承的径向跳动、与轴连接（联轴器）引入的误差，以及信号细分和数字化电路的细分误差。带增量信号的编码器，精度与刻线数有关；绝对式编码器的位置精度以各型号的规格为准。

机械结构与安装

按与被测轴的连接方式，常见两类结构：

• 实心轴，外接联轴器：编码器自带轴承和实心轴，通过单独的联轴器与被测轴连接。联轴器补偿两轴之间的轴向窜动以及径向、角度偏差，使编码器轴承不承受额外的外部载荷。被测轴受皮带轮、链轮、摩擦轮等较大载荷时，不宜让编码器轴承直接承受。
• 空心轴或盲孔轴，带定子联轴器：编码器以空心轴直接套在被测轴上，用螺钉或偏心夹紧件固定转子；定子联轴器补偿径向跳动和对中误差，轴加速时只需承受轴承摩擦产生的力矩，并允许被测轴有一定的轴向窜动。

选型要点

选型时通常按以下几项逐一核对：

• 测量任务：只测转速或相对位移、允许上电后回参考点的，可选增量式；要求上电即知位置、不能回参考点的，选绝对式；行程超过一圈的，选多圈。
• 分辨率与输出频率：按控制要求定刻线数或位数，再按最高转速核算输出频率。
• 信号与接口：和控制器、驱动器或 PLC 的输入类型一致，如 1 Vpp、TTL、HTL、SSI、EnDat 或现场总线，同时核对供电电压。
• 机械接口：实心轴还是空心轴、轴径、法兰形式，以及安装处允许的轴向窜动和径向载荷。
• 环境条件：防护等级（按 EN 60529，壳体与轴入口的等级可能不同）、工作温度、湿度（不允许凝露），以及振动和冲击（按 EN 60068-2-6、EN 60068-2-27 考核）。外部磁场较强时也要注意，海德汉提示超过 30 mT 的磁场可能影响编码器正常工作。
• 功能安全：用于安全相关的控制场合时，选具备相应功能安全认证的型号，例如满足 EN 61508 SIL 2 的位置测量系统。

参考资料

HEIDENHAIN《Rotary Encoders》产品样本（2018 年 11 月版）；Kübler 编码器产品介绍（kuebler.com）。