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编码器---正交编码器

news 来源：原创 2025/8/2 21:08:35

一、正交编码器定义与核心作用

正交编码器（Orthogonal Encoder），又称增量式编码器，是一种通过输出两路相位差90°的脉冲信号（A相、B相）来测量旋转角度、速度和方向的传感器。其核心优势是通过A/B相的脉冲顺序判断旋转方向，通过脉冲计数测量位置或转速，广泛应用于电机控制、机器人、工业自动化等领域。

核心功能：

测量旋转角度（分辨率由脉冲数决定）
判断旋转方向（正转/反转）
计算转速（单位时间内的脉冲数）
部分型号含零位信号（Z相），用于复位参考点

二、结构与工作原理

1. 物理结构

码盘：透明圆盘上刻有均匀分布的透光狭缝（或齿槽），分为内圈（A相）、中圈（B相）、外圈（Z相，可选）。
- A相和B相狭缝交错排列，相位差90°（即空间上相差1/4周期）。
- Z相狭缝仅1个，用于输出零位信号（每圈1个脉冲，定位初始位置）。
信号读取模块：
- 发光二极管（LED）：发射光源透过码盘狭缝。
- 光敏接收元件：接收透光信号，转换为电脉冲（高/低电平）。

2. 工作原理

脉冲输出：
- 旋转时，A相和B相交替输出正弦波或方波信号，相位差90°（正交）。
- 正转时，A相超前B相90°；
- 反转时，B相超前A相90°；
方向判断：
通过检测A相上升沿时B相的电平状态：
- 若A相上升沿时B相为低电平 → 正转
- 若A相上升沿时B相为高电平 → 反转
分辨率计算：
分辨率（线数，Lines）指码盘每圈的脉冲数。例如200线编码器，每圈输出200个A相和B相脉冲。
- 单倍频计数：直接数A相或B相脉冲，每线1个脉冲。
- 四倍频计数：同时检测A/B相的上升沿和下降沿，每线输出4个脉冲（分辨率×4）。

三、信号类型与输出形式

信号类型
- TTL电平：低电平0V，高电平5V或3.3V，适合短距离传输（<100米），需注意抗干扰。
- HTL电平：低电平0-3V，高电平10-30V，抗干扰能力强，适合工业环境长距离传输（>200米）。
- 差分信号（如RS422、EnDat）：A+/A-、B+/B-差分输出，抑制共模干扰，用于高精度场景（如伺服电机）。
输出引脚
- 标准配置：A相、B相、Z相（零位）、电源（VCC）、地（GND），共5根线。
- 差分输出型：额外增加A-/B-/Z-反相信号，共8根线。

四、典型应用场景

电机控制
- 伺服电机/步进电机的转速和位置反馈（如数控机床、机器人关节）。
- 例：通过A/B相脉冲计数计算电机转速（RPM = 脉冲数/(时间×线数×60)）。
运动控制
- 直线运动平台（配合丝杠/齿轮箱，将旋转脉冲转换为直线位移）。
- 无人机/平衡车的姿态检测（结合陀螺仪，优化控制算法）。
工业自动化
- 传送带速度监测、印刷机定位、包装设备的精确启停控制。
测量设备
- 转速表、角度仪、3D打印机的轴位控制。

五、选型关键参数

分辨率（线数，PPR）
- 常见范围：50线 ~ 5000线，线数越高，精度越高（如1000线编码器，单圈角度精度360°/1000 = 0.36°）。
- 注意：四倍频后分辨率×4（如1000线→4000脉冲/圈）。
输出类型
- 低速、短距离：TTL电平（适配Arduino、STM32等单片机）。
- 工业环境：HTL或差分信号（抗干扰）。
电源电压
- 常用5V、12V、24V，需与控制器电源匹配（如3.3V单片机需电平转换模块）。
轴径与安装方式
- 轴径：3mm、6mm、8mm等，需与电机轴匹配。
- 安装方式：法兰安装（常用）、夹紧式、磁性联轴器（减震）。
防护等级
- 普通环境：IP54（防尘溅水）。
- 恶劣环境：IP67（防水防尘，可短时浸水），甚至IP69K（抗高压水冲洗）。
最高转速
- 超过最大转速会导致脉冲丢失（如1000线编码器，最高转速10000RPM时，脉冲频率=1000×10000/60≈166kHz，需控制器输入捕获支持）。

六、电路连接与软件处理

1. 硬件连接（以TTL电平为例，连接STM32）

A相、B相接入单片机的定时器输入捕获引脚（支持正交解码模式）。
Z相（可选）接入普通GPIO，用于零位校准。

示例电路：

编码器 → STM32  
A相   → TIMx_CH1  
B相   → TIMx_CH2  
VCC   → 5V或3.3V（需电平匹配）  
GND   → GND

2. 软件实现（正交解码模式）

启用定时器正交解码功能（以STM32为例）：

TIM_Encoder_InitTypeDef encoderConfig;  
encoderConfig.EncoderMode = TIM_EncoderMode_TI12; // 同时捕获A/B相边沿  
encoderConfig.IC1Polarity = TIM_ICPolarity_Rising; // 上升沿触发  
encoderConfig.IC2Polarity = TIM_ICPolarity_Rising;  
HAL_TIM_Encoder_Init(&htimx, &encoderConfig);  
HAL_TIM_Encoder_Start(&htimx, TIM_CHANNEL_ALL);

读取计数值与方向：
- 计数值：__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx)（正负值表示方向，需根据初始位置校准）。
- 方向：通过定时器状态寄存器判断（如STM32的TIMx_SR中的计数方向标志）。
四倍频处理（非正交解码模式时）：
检测A/B相的上升沿和下降沿，每次边沿变化计数（需软件判断方向）。

3. 去抖动与抗干扰

信号噪声：使用RC滤波电路（如1kΩ电阻+100nF电容）或施密特触发器整形。
长线传输：差分输出编码器搭配差分接收芯片（如SN75176），抑制共模干扰。

七、注意事项

增量式 vs 绝对式编码器
- 正交编码器（增量式）：断电后位置信息丢失，需每次上电找零位（Z相）。
- 绝对式编码器：通过多圈码盘直接输出绝对位置（如格雷码），无需找零，但成本高。
安装精度
- 确保编码器轴与电机轴同轴度（偏差<0.1mm），避免偏心导致码盘磨损或信号异常。
- 柔性联轴器可减少振动影响（尤其高速场景）。
高速场景限制
- 脉冲频率超过控制器输入捕获上限时，需降低分辨率或使用专用解码芯片（如AD2S1200）。
零位校准
- 每次上电后，使电机旋转至Z相脉冲触发位置，作为坐标原点。

八、购买建议

品牌推荐：
- 工业级：倍加福（P+F）、欧姆龙（OMRON）、海德汉（Heidenhain）、瑞普（RESATRON）。
- 性价比：汇川（INOVANCE）、奥普士（OPTEX）、中达优控（ZDAYK）。
渠道：
- 工控平台：工控猫、阿里巴巴工业市场。
- 电子商城：Mouser、Digi-Key（适合小批量样品）。
选型工具：
部分品牌提供在线选型软件（如倍加福编码器选型工具），输入分辨率、环境等参数自动推荐型号。

通过正交编码器，可实现高精度的运动控制与位置检测，是工业自动化和智能设备的核心传感器之一。如需具体型号的电路设计或代码调试细节，可补充应用场景（如伺服电机控制、单片机开发平台等），进一步提供针对性方案。