编码器100问秘籍

1.  问: 什么是编码器? 它的基本作用是什么?

答: 编码器是一种将物理运动(旋转或线性位移)转换为电信号的传感器，核心功能是提供位置、速度、角度和位移量的反馈，构成闭环控制系统，实现精密测量与运动控制。通俗的讲，编码器专门负责告诉控制系统(如 PLC)，机械部件(如电机轴)转动了多少角度、走了多长距离、速度多快、方向如何。

2. 问: 编码器的种类有哪些?

答: 最常见的分类是按照信号输出形式，分为增量式和绝对式。

增量式编码器是将位移转换为周期性的电信号，再把这个电信号转变为计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

另外，按照运动方式分类，编码器可分为旋转编码器和线性编码器。这里重点讲一下旋转编码器，按照检测原理分类，编码器可分为磁电、光电、电感、电容和电阻式编码器;按照机械安装方式分类，编码器可分为实心轴、盲孔型、通孔型、分体式和读数头感应式；此外，伺服编码器还常见锥孔型和锥轴型等安装方式。

3. 问: 增量式编码器和绝对式编码器最根本的区别是什么?

答: 根本区别在于断电后位置信息是否天失。增量式断电即忘，上电需回零；绝对式断电记忆，上电即知当前位置。比如说，机器人手臂断电后再上电，用绝对式编码器的关节马上知道自己的姿态，而用增量式的则需要重新执行一遍“回零”动作来找准基准点。

4. 问: 常见光电编码器和磁电编码器工作原理是什么?

答: 光学编码器由 LED 光源、施转码盘和光电传感器组成。码盘上的刻线阻挡或透过光线，使光电传感器产生变化的电信号，从而生成脉冲。

磁编码器使用一个旋转的多极磁环和一个磁敏传感器(如霍尔或磁阻元件)。传感器检测磁通量的变化，并将其转换为电信号。

5. 问: 光电编码器和磁电编码器的主要优缺点是什么?

答: 光学编码器:优点-精度高、分辨率高。缺点-怕污染、振动，成本较高。磁编码器:优点-抗振动、抗污染、寿命长、成本低。缺点-绝对精度和分辨率通常低于光学式。

如果追求精度和分辨率，设备运行环境洁净且没有高振动和冲击，可以采用光电编码器;如果设备运行在典型的工业环境，存在灰尘、油污和振动，需要可靠性对精度要求没那么高，更适合用磁电编码器。

6. 问: 单圈和多圈绝对值编码器的区别?

答: 单圈与多圈绝对值编码器的核心区别在于能否记录旋转的总圈数。单圈编码器只能在 360°范围内提供绝对位置，一旦转动超过一圈，其位置值便会循环复位;而多圈编码器则通过内部机械齿轮或电子计数方式，在精确测量圈内角度的同时，还能持续记录并永久记忆总旋转圈数，即使断电后也能立即恢复全局绝对位置，因此更适用于长行程定位及难以寻零操作的场景。

通俗的讲，单圈: 解决“我在这一圈的哪里?”的问题，适用于行程在一圈内的精确定位。多圈: 解决“我在第几圈? 以及在这一圈的哪里?”的问题。

7. 问: 光电式编码器的码盘材料有哪些? 各有什么特点?

答: 光电式编码器的码盘材料常见的有玻璃、金属和塑料。玻璃码盘精度高，耐高温，但易碎；金属码盘强度高，抗冲击，但精度相对较低；塑料码盘成本低，重量轻，但耐高温和耐磨损性较差。例如，在高温环境下工作的编码器，多采用金属码盘；而在高精度设备中，多采用玻璃码盘。

8. 问: 什么是编码器的分辨率? 如何表示?

答: 分辨率是指编码器能检测到的最小位移单位。对于旋转编码器来说，分辨率一般定义为编码器旋转一圈所测量的单位或者脉冲，通常用PPR(每转脉冲数)或位数(bit)来表示。

线性编码器分辨率常常被定义为两个量化单位之间产生的距离，通常给定的单位是微米(um)或者纳米(nm)。例如:

增量式编码器: 用 PPR 表示。如轴转一圈输出2500个脉冲即 2500 PPR。

绝对式编码器: 用位数(bit)表示。如16 位单圈分辨率，即2^16= 65536 个位置/圈。

线性编码器: 如 5um/脉冲表示每输出一个脉冲对应5 微米的直线位移。

9. 问: 什么是编码器的精度?

答: 精度用于衡量正常情况下实际值和设定值之间可重复的平均偏差的量值。对于旋转编码器来说,一般被定义为角秒或者角分，同时对于直线编码器来说精度一般为微米。需要注意的是，高分辨率并不代表高精度。

例如，两个同样精度的旋转编码器,一个分辨率是 3600PPR,而另一个是10000PPR。低分辨率编码器可以提供 0.1°的测量距离，而高分辨率编码器可以提供一个更小的测量距离，但是二者的精度是相同的，高分辨率编码器仅仅是具有将01°缩小到更小增量距离的能力。

10. 问: 什么是编码器的重复精度?

答: 在同一个实际位置取得的不同测量值之间的最大偏差。高重复精度意味着更高的稳定性和可靠性，以及更优的性能表现，尤其是在需要频繁定位、重复动作的场合，能确保每次动作都精准到位。

11. 问: 什么是编码器的线数?

答: 线数指的是编码器码盘上刻有的物理刻线数量。这是一个硬件固有的、不可改变的属性。在一个增量式光电编码器中，当码盘旋转时，刻线会间断地阻挡光线，从而产生脉冲信号。码盘旋转一圈，产生的脉冲总数就等于它的线数。也就是说，对于最基本的增量式编码器，分辨率直接由线数决定。

12. 问: 什么是编码器的相位差?

答: 在增量式编码器中，通常会输出 A、B两相脉冲信号，这两个信号之间存在 90 度的相位差。通过判断A相和B相的先后顺序可以确定旋转方向。比如当A相脉冲超前B相脉冲时,编码器正转；当 B相脉冲超前 A相脉冲时，编码器反转。在数控机床的进给轴控制中，就是通过相位差来判断轴的移动方向，从而实现准确的位置控制。

13. 问: 增量编码器的 A相、B相和Z相信号各有什么作用?

答: A/B 相:脉冲计数和方向判断(相位差 90°)。Z相:每圈一个脉冲，提供机械参考零点，用于归零操作。

14. 问: 什么是编码器的响应频率?

答: 是指它能够准确输出脉冲信号的最高频率,超过这个频率，编码器可能无法正常工作，输出的信号会出现失真。例如，一个响应频率为 100kHz 的编码器，当输入的旋转速度过高，导致脉冲频率超过 100kHz 时，就无法准确反映实际的旋转情况。

15. 问: 绝对式编码器的“位数”和”多圈圈数”如何理解?

答: 一个“17 位多圈绝对值编码器”通常指：

单圈分辨率: 17位，即2^17=131072个位置/圈。

多圈范围: 可能也是17位(或更少，如12 位)，即能记录 2A17= 131072 圈。

所以它的总定位能力是“圈数 x 每圈位置数”，是一个巨大的数字。

16. 问: 单圈绝对值编码器超过 360°后怎么办?

答: 单圈绝对值编码器的位置代码是循环的。当旋转超过 360°，位置值会从最大值(如65535)跳回到0。上位机系统需要根据旋转方向自行软件计数圈数，否则会丢失圈信息。

17. 问: 什么是电子倍频(内插)? 为什么需要它?

答: 电子倍频是通过电路在原始脉冲的上升沿和下降沿都进行计数，从而将分辨率提高2倍或4倍的技术。它可以在不增加码盘物理刻线的情况下，以较低成本获得更高的分辨率。

18. 问: 常见的编码器输出形式有哪些?

答: 增量式编码器输出形式主要有：

集电极开路输出: 简单经济，但抗干扰差，传输距离短

电压输出: 常见有TTL电平(5V)和 HTL电平(10-30V)，后者抗干扰性更强。

推挽输出: 性能优于集电极开路，信号更稳定。

差分输出: 输出互补信号(如 A+/A-)，抗共模干扰能力极强，是长距离传输和恶劣工业环境的首选。

绝对式编码器，输出的是代表绝对位置的数字代码，其接口形式更为多样:

并行输出: 每位数据都用一根线传输，速度快但电缆多，易受干扰,已逐渐被淘汰。

串行同步接口: 如 SSI和 BiSS，采用时钟+数据的双线制，是目前最主流的点对点传输方式。

工业现场总线: 如 Profibus-DP、CANopen、EtherCAT、Profinet、DeviceNet、Modbus等，一根总线可连接多个设备。

模拟量输出: 如电压输出(0-10V)、电流输出(4-20mA)等。如果符合低成本、极长传输距离和精度要求不高的需求，可以采用模拟量输出。

19. 问: 编码器的防护等级有哪些?

答: 外壳防护等级(IP代码)一般由两个数字所组成，第一个数字表示产品防尘、防止外物侵入的等级；第二个数字表示产品防湿气、防水侵入的密闭程度。数字越大，表示其防护等级越高。如: 工业环境中常见的编码器防护等级IP65 代表防尘且防低压水喷射，IP67 代表防尘且可短暂浸入水中(1米深，30分钟)

防护等级示意图:

20. 问: 什么是编码器的轴负荷?

答: 轴负荷是指编码器的轴承系统所能承受的来自外部机械安装的最大允许力和最大允许力矩。它直接关系到编码器的机械寿命和测量精度，绝对不可超过，否则会永久损坏编码器。轴负荷主要分为径向负荷（指垂直于编码器轴心线方向，施加在轴肩或轴端的力。可以简单理解为“从侧面去压或掰轴”的力）和轴向负荷（指沿着编码器轴心线方向，施加在轴端的力。可以简单理解为“从轴的一端去推或拉轴”的力)

21. 问: 什么是供电电压? 常见的工作电压范围一般多大?

答: 编码器电源端的输入电压。 一般为 5V 或 8-30V，也有 5-24V、5-30V、10-30V 和12-30V。

22. 问: 常见的编码器输出码制有哪些?

答: 常见的编码器输出码制有以下几种:

二进制码: 用二进制记数系统，即以2为基数的系统表示的数字。数通常用两个不同的符号0和1来表示。常见于 SSI输出、并行输出等。

格雷码: 在一组数的编码中，若任意两个相邻的代码只有一位二进制数不同，则称这种编码为格雷码。常见于 SS1 输出、并行输出等。

格雷余码: 取格雷码的某一段，使得从头代码到尾代码转变时只变一位，则称这些代码为格雷余码。常见于并行输出。

BCD码: 在编码器中，一般指 8421码。用4位二进制数来表示1位十进制数中的 0-9 这 10 个数码，是一种二进制的数字编码形式,用二进制编码的十进制代码。常见于并行输出。

23. 问: 为什么光电编码器码盘普遍采用格雷码而非二进制码

答: 核心原因是避免临界值误码。二进制码中多个 bit 位可能同时变化（如从 0111到 1000），由于光电器件响应速度和机械安装的微小偏差，会在极短时间内读取到错误中间值。格雷码的相邻两个数字只有一位不同,彻底消除了多 bit 跳变带来的误码风险，保证数据绝对安全。

24. 问: 伺服电机中的 UVW 信号是什么?

答: 它们是换相信号，用于确定电机转子的磁极初始位置，以便驱动器正确输出力矩。对于增量式伺服系统，必须使用；对于绝对式，仅在初次调试时需要。

25. 问: 什么是零位偏移?

答: 在伺服系统中，指编码器的机械零位（Z相或绝对值0位）与电机磁极的电气零位（U 相）之间的角度偏差。需要通过调试软件进行校准，以确保矢量控制的最佳性能。

26. 问：何为“相移”? 它对系统有何影响?

答: 指 A、B 两相信号与理想的 90°相位差的偏差。过大的相移会影响方向判断的准确性和高速下的计数稳定性。

27. 问: 在自动化控制系统中，编码器通常安装在什么位置?

答: 通常安装在伺服电机尾部、传动丝杠的末端、或从动轮轴上，用于直接或间接测量最终执行机构的位置和速度。

28. 问: 多圈编码器的”圈数溢出”风险如何规避?

答: 一般采取以下措施策略:

√ 足够圈数: 选择圈数范围远超实际应用需求的型号(如 8192 圈)

√ 软件监控: 在上位机中监控圈数计数，接近极限时预警

√ 机械限位: 设置物理限位装置，防止机械结构无限旋转

√ 圈数扩展: 某些协议支持 32位或 64位圈数计数，基本消除溢出风险

29. 问: Modbus RTU 和 Modbus TCP 有什么区别?

答: ModbuSRTU 是严格的主从轮询机制。主站依次询问每个从站:“你有数据吗?”从站只有在被问到的时候才能回等。如果总线上设备很多，轮询一圈的时间会很长，实时性较差。

Modbus TCP 是客户端-服务器模型。客户端（主站）发起请求，服务器（从站）响应。虽然通信模式上也是请求-响应，但由于基于全双工的 TCP，速度极快，感觉上更像是“并发”处理。

30. 问: 怎么计算编码器的位移?

答: 以单圈 4096 分辨率编码器为例:

编码器旋转一圈的位移是150mm，那么每一步代表150mm/4096~0.037mm。

假设两次读取的编码器数据差值为1000，那么对应的位移差值为150mm/4096*1000~36.63mm。

31. 问: 如何计算编码器的速度

答: 以单圈 2000 分辨率编码器为例：编码器旋转一圈 360°，经过的脉冲数是 2000。假设10mS 内编码器旋转输出的脉冲数是1000，那么对应的速度为1000/2000*1000*60/10=3000rpm。

32. 问: 多圈绝对值怎么计算位置值?

答: 假设编码器分辨率为多圈 12位/单圈 13位，编码器输出当前位置为163000；则编码器当前圈数为 163000/8192（向下取整），单圈值为 163000-19+8192=7352.

33. 问: 编码器的输出速率及数据周期是多少?

答: 输出速率:不同协议的编码器，输出速率不同，取决于客户的上位机系统，比如:

• ModbUS-RTU 协议编码器，波特率支持 4800bps、9600bps、19200bps、115200bps等；

2)  SSI协议编码器，时钟频率为 100KHz~2MHz；

3)  Canopen 协议编码器，波特率支持 10Kbps、20Kbps、1Mbps 等。

数据周期时间:

• 客户采集数据的时间周期取决于客户上位机系统的设置，比如：

Modbus-RTU 协议编码器，发送时间间隔设置 50ms;

SSI协议编码器，读取时间间隔设置 100US;

Canopen 异步通讯时间周期设置 10ms

• 编码器内部 MCU 采集的位置数据的时间:

该数据与MCU的时钟频率及数据采集设置有关，通常为us级,比如10us、20us、30us等。

34. 问：什么是编码器的响应频率?

答: 响应频率是编码器单位时间内输出的脉冲数，单位是Hz。电气最高响应转数(r/min)=最高响应频率/单圈分辨率*60

因此当编码器旋转速度超过电气最高响应转数时，将无法跟上电气信号；同时由于轴承的限制，通常编码器的机械转速一般<电气最高响应转数。

35. 问: 什么是“IO-Link”接口编码器? 它有什么优势？

答: IO-Link是一种点对点的串行通信协议，可以将传统的增量编码器变为智能传感器。优势:

√ 参数化: 可远程设置分辨率、输出模式等

√ 诊断: 可读取温度、运行时间等状态数据。

√ 简化更换: 更换后自动下载参数，实现“即插即用”。

36. 问: 什么是拉线编码器?

答: 拉线编码器是一种通过拉线位移测量和反馈位置信息的装置，主要用于工业自动化领域，具有高精度、结构紧凑、测量行程大等特点。主要由拉线组件、传感器模块及信号处理电路组成。拉线组件通常采用高强度钢丝或纤维线，一端固定于编码器壳体，另一端与运动部件相连，通过拉线伸缩实现机械运动到电信号的转换。

37. 问: 什么是“正余弦”输出编码器? 它用于什么场合?

答: 输出1Vpp 幅度的模拟正弦和余弦信号，而非数字方波。通过对这些信号进行高倍率的内插细分，可以获得极高的分辨率，主要用于需要极高分辨率和低速平稳性的场合，如直接驱动电机。

38. 问: 4~20mA和0~10V编码器，经过转换后能精确到小数点后几位?

答: 取决于编码器内部的分辨率和客户上位机的 ADC芯片，如果编码器内部使用 16 位 DAC 芯片，上位机 ADC 采样芯片是 12 位的话，则最小电流/电压单位为 16mA/4096 或 10V/4096。

假设一台多圈编码器的分辨率是 10/10,内部使用 16 为 DAC 芯片,则全量程范围内，编码器输出的最小电流单位为 16mA/65536而不是 16mA/1024/1024。

39. 问: 如何简单的理解编码器在机器人关节中的作用?

答: 在机器人关节中，编码器就像人类的”本体感觉系统”，让机器人知道每个关节的精确位置和状态。具体功能：

√ 关节角度感知：精确测量每个关节的旋转角度；

√ 运动控制反馈：实时反馈给控制器，实现精准轨迹跟踪；

√ 安全监控：检测异常振动或过载；

√ 零点记忆：断电后仍记住各关节位置，无需重新校准。

40. 问: 如何选择适合自己的编码器?

答: 编码器选型需首先根据系统上电后是否需要知晓绝对位置来选择绝对式（断电保持，无需回零）或增量式（成本低，需回零）其次确定分辨率（PPR或位数)以满足控制精度，并依据传输距离、抗干扰性和通讯速率选择输出信号（TTL/差分/总线等)）；最后关键要匹配安装尺寸、轴负载及防护等级（如IP67 用于潮湿环境），同时结合品牌预算综合考量。