增量编码器的工作原理

1、什么是编码器？

编码器的英文名称为“encoder”，它是一种能把距离（直线位移）和角度（角位移）转换成电信号并输出的传感器。编码器通常用于工业运动控制中需要准确控制位置的场合。有了编码器，控制系统就能形成闭环。

下面这张图是欧姆龙增量型编码器E6B2-CWZ6C的实物图：

2、编码器的分类

根据工作原理的不同，编码器可分为光电编码器（optical encoder）、磁性编码器（magnetic encoder）、电感式编码器（inductive encoder）和电容式编码（capacitive encoder）等等，使用最多的是光电编码器。

光电编码器（optical encoder）的组成包括：连接轴（Shaft）、码盘（Code disk）、光源（Light Source）、输出电路（Output circuit）及外壳和连接法兰等，如下图：

根据码盘结构的不同，编码器又可以分为增量型编码器和绝对值型编码器。

绝对值型编码器，英文名称"Absolute encoder"，输出的是一组二进制数的编码。它的码盘被分成很多同心的通道，每一个通道，称为一个“码道”。每一个码道都有一个单独的输出电路，用来表示一个二进制的位。通过二进制位的组合，就能唯一确定一个数值。绝对值型编码器的码盘如下图所示：

3、增量型编码器的结构及工作原理

增量型编码器，英文名称“Incremental encoder”，它的码盘被分成大小相等的明暗相间的光栅，随着码盘的转动，接收端会检测到光的0和1的变化，并转换成电脉冲信号向外输出。脉冲信号连接到高速计数器模块上，通过对脉冲个数的计数，就能确定位移的大小（因为编码器每转一周发出的脉冲数是固定的）。

增量型编码器的码盘如下图：

上述码盘结构只有1圈光栅，在使用一路光源的情况下只有1路电脉冲信号输出，这往往不能满足实际要求，因为在实际应用中我们往往需要检测电机是正转还是反转，有时候还需要进行零点检测。

要检测正反转，可以有两种方法。

方法一：使用具有1圈光栅的码盘和两个光源。

通过调整码盘光栅的间隔距离及两个光源的位置，使A相信号和B相信号相差1/4周期（相位角差90度），这样就可以通过判断A相信号和B相信号的发生顺序来判断正转还是反转。该方法的示意图如下：

方法二：使用具有2圈光栅的码盘和1个光源。

该方法使用具有2圈光栅的码盘，外圈为A相光栅，内圈为B相光栅，两圈光栅之间间隔1/4宽度，如下图所示：

除了A/B相，在实际应用中，有的编码器还提供零点脉冲信号。零点脉冲信号是在码盘上增加一个同心的光栅孔，每转一圈发出一个脉冲，其输出信号称为Z相（Zero），如下图：

这样，增量型编码器A相/B相/Z相的输出信号如下图所示：

4、增量型编码器与PLC的连接

增量型编码器输出的脉冲信号需要连接到PLC的高速计数器中。有些PLC的CPU模块本身集成了高速计数器（比如，S7-200 SMART、S7-1200系列），可以将编码器的输出信号直接连接到CPU模块集成的高速计数通道中；有的CPU本身没有集成高速计数器（比如S7-300/1500系列），这种情况下需要使用专门的高速计数模块。