旋轉編碼器是一種經(jīng)過驗證的常用解決方案，適用于測量旋轉軸的速度、運動方向或位置。旋轉編碼器分為多種不同的類型，最主要的兩種類型是絕對編碼器和增量編碼器。它們的工作原理分別如何？有哪些區(qū)別？如何為應用選擇適合的類型？

編碼器工作原理

顧名思義，絕對編碼器會直接輸出正在測量的軸的確切位置。每個旋轉點都具有唯一的位置值或數(shù)據(jù)字，并在隨軸一起旋轉的碼盤上編碼。碼盤上唯一代碼的數(shù)量決定了位置的表示精度。編碼器一旦開啟，便立即使用光學、電容式或磁性傳感器讀取代碼，并生成有效的輸出。而且，無需建立參考點或轉動軸，傳感器便能確定位置，并且即便編碼器臨時掉電，也能持續(xù)跟蹤位置。

圖 1：絕對編碼器的碼盤為每個位置提供唯一代碼，從而實現(xiàn)有效的即時輸出，并確定編碼器的分辨率。（圖片來源：CUI, Inc.）

編碼器的分辨率以位表示，對應于一圈內的唯一數(shù)據(jù)字數(shù)量。絕對編碼器可分為單圈和多圈兩種類型，其中單圈版本提供一整圈 (360°) 的位置數(shù)據(jù)，并且在軸的每一圈旋轉中重復提供。多圈類型包含一個轉數(shù)計數(shù)器，能讓編碼器不僅輸出軸位置，還能輸出圈數(shù)。

下面是增量編碼器：根據(jù)軸旋轉時產(chǎn)生的脈沖來工作。輸出通常是兩個相位差為 90° 的方波，并且需要額外的電路對這些脈沖進行跟蹤或計數(shù)。

圖 2：增量編碼器產(chǎn)生具有 90° 相位差的脈沖波形。（圖片來源：CUI, Inc.）

增量編碼器的分辨率以每轉脈沖數(shù) (PPR) 表示，相當于任一方波輸出的高脈沖數(shù)。您可以閱讀CUI 關于 PPR 的博客文章，了解有關此主題的更多信息。

通過仔細觀察圖 2，您會發(fā)現(xiàn)其中只有四個不同的重復輸出狀態(tài)。因此，增量編碼器必須以已知的固定位置為參考，才能提供有意義的位置信息。這個“起始”位置就是編碼器的索引脈沖。然后通過跟蹤旋轉中相對索引脈沖的增量變化，來計算軸的絕對位置。每次開啟編碼器時，或在臨時掉電之后，都必須執(zhí)行此參照過程，因此軸必須處于旋轉狀態(tài)才能獲得位置信息。這一過程獲取位置信息的速度不及絕對編碼器，因為后者無需初始旋轉。

絕對式還是增量式：選擇標準

絕對編碼器比增量編碼器更加復雜，因而價格通常也更昂貴。雖然兩者的價格差距正逐漸縮小，但增量編碼器通常更適合簡單的速度、方向或相對位置監(jiān)控。另一方面，在某些情況下，絕對編碼器是更好的選擇。

絕對編碼器的主要優(yōu)勢是，它會維護軸的位置，因此可以即時獲取位置數(shù)據(jù)，而無需等待完成起始或校準序列。這使得系統(tǒng)能夠更快地啟動，或者從電源故障中恢復，即便在編碼器關閉期間軸位置已發(fā)生變化。

還有一種情況需要選擇絕對編碼器，即啟動時，在任何機構激活或移動之前需要立即獲得位置信息。例如，如果從起始位置沿錯誤的方向旋轉軸，可能會損壞設備或對用戶造成危險。

此外，由于絕對編碼器能實時提供真實的位置，因此數(shù)字系統(tǒng)可通過中央通信總線輪詢編碼器，以最小的延遲捕捉位置。使用增量編碼器來持續(xù)跟蹤位置難度更大，因為它通常需要外部電路，使用正交解碼跟蹤所有脈沖，這會增加主機系統(tǒng)的開銷，尤其在必須監(jiān)控多個編碼器的情況下更是如此。

圖 3：絕對編碼器為每個碼盤位置生成唯一數(shù)碼“字”，相當于我們所說的分辨率。（圖片來源：CUI, Inc.）

另外一個優(yōu)勢是，使用絕對編碼器有助于減少系統(tǒng)受到的電氣噪聲干擾。與采用脈沖計數(shù)的增量編碼器不同，絕對編碼器允許系統(tǒng)從二進制輸出，或以數(shù)字方式從串行總線讀取經(jīng)過錯誤校驗的代碼，以便計算位置。

此外，在同一個系統(tǒng)中組合多個絕對編碼器，也比增量編碼器更簡單。典型示例包括工廠自動化或多軸機器人。監(jiān)控多個增量編碼器的輸出可能變得非常復雜，需要很高的處理能力，而從絕對編碼器讀取的信息更易于解釋，特別是當它們連接到同一條中央通信總線時。

絕對編碼器的機遇

現(xiàn)在，您應該大致了解了絕對編碼器和增量編碼器之間的主要差別。下面我們介紹一些通常使用絕對編碼器的應用領域。

其中，機器人是一個快速發(fā)展的領域。它正在滲透到醫(yī)療領域的眾多部門，例如遠程手術需要依賴大量的精確位置信息來監(jiān)視和控制手術機器人的機械臂，另外還有眾多工業(yè)使用案例，如自動裝配、焊接、涂料噴涂等更多。展望未來，家庭助理機器人的前景尤其令人興奮，它將受益于絕對編碼器所提供的速度和易用性。

隨著企業(yè)持續(xù)尋求數(shù)字化轉型，增量編碼器和絕對編碼器之間的價格差異日漸縮小，絕對編碼器的應用幾乎層出不窮。在消費市場，絕對編碼器也有很多機會。無論是用于控制自動門、攝像機萬向架等機構，還是用于智能 HVAC 控制、工廠自動化或電動車子系統(tǒng)，絕對編碼器都為設備設計師提供了高性能且成本日益合理的選擇。

工程師提供位置反饋的首選器件

絕對編碼器和增量編碼器在性能、價格和用戶體驗方面存在差異，這意味著對于任何新產(chǎn)品設計而言，選擇適當類型的編碼器都是至關重要的。隨著價格差距的縮小，技術的持續(xù)革新，絕對編碼器相對于增量編碼器的優(yōu)勢令其成為設計師在越來越多的應用領域提供位置反饋功能的首選器件。