編碼器是電機(jī)控制中反饋位置/速度的傳感器，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)控制的關(guān)鍵?；驹硎菍⑽恢眯畔⑥D(zhuǎn)化為光、磁、電容等信號(hào)，再將這些信息號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。編碼器從信號(hào)類(lèi)型可以分為：光電編碼器、磁編碼器、電容編碼器、電感編碼器等，其中光電編碼器和磁編碼器最為常用，下面主要介紹這兩種編碼器的原理。

一、光電編碼器

光電編碼器的原理是用明暗相間的光柵遮擋光源，在光柵另一邊的光電傳感器上產(chǎn)生高低電平，從而將位置信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（圖1）。

圖1 光電編碼器結(jié)構(gòu)

1.位置/角度。光柵盤(pán)上有n條縫隙，那么圓盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)360°/n就會(huì)發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào)，那么這個(gè)編碼器的精度就是360°/n。通過(guò)計(jì)數(shù)信號(hào)個(gè)數(shù)就可以知道轉(zhuǎn)了多少度，也就是位移信號(hào)。有了位置/位移信息，除以時(shí)間，就是速度信息。

2.方向。再加一組相位相差90°（電角度）的光柵就可以達(dá)到這個(gè)目的了（兩個(gè)光柵可以集成在一個(gè)圓盤(pán)上，如圖2）。不難發(fā)現(xiàn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)（圖3），A相信號(hào)的上升沿（低電平—高電平，或者說(shuō)是暗—亮 ）總是對(duì)應(yīng)B相的高電平狀態(tài)（亮）；反過(guò)來(lái)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)(圖4），A相信號(hào)的下降沿總是對(duì)應(yīng)B相的高電平狀態(tài)（亮）。這樣就可以判斷旋轉(zhuǎn)方向了。

圖2 增量式光電編碼器碼盤(pán)的光柵結(jié)構(gòu)

圖3 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),A相信號(hào)的上升沿總是對(duì)應(yīng)B相高電平

圖4 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),A相信號(hào)的下降沿總是對(duì)應(yīng)B相高電平

基于以上原理我們就可以得到一個(gè)增量式的光電編碼器，為什么說(shuō)是“增量式”的，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)如圖2所示的AB相光柵結(jié)構(gòu)是均勻的，轉(zhuǎn)到任意位置，我們只能通過(guò)輸出的信號(hào)數(shù)知道它轉(zhuǎn)了多少角度，但沒(méi)法知道具體在哪個(gè)位置。假如這個(gè)編碼器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中突然斷電，恢復(fù)之后，之前跑的信號(hào)丟失了，那么位置信息就丟失了，要繼續(xù)測(cè)量就必須回到“零點(diǎn)”重新跑。增量式編碼器適合測(cè)量速度，而測(cè)量位置則需依賴(lài)零點(diǎn)。

如果我們想不依賴(lài)零點(diǎn)就能確定位置信息怎么辦呢，那就需要用到絕對(duì)值式編碼器。原理也很簡(jiǎn)單，假如我們讓整個(gè)圓周的每個(gè)細(xì)分區(qū)間的“圖形”（或者說(shuō)編碼）都不同就可以了。如圖5所示的絕對(duì)值式碼盤(pán)，可以看到碼盤(pán)是同心圓結(jié)構(gòu)，每個(gè)同心圓稱(chēng)為一個(gè)碼道，然后將圓盤(pán)均分成N份，那么360°/N就是絕對(duì)值編碼器的精度。

這里的N一般是2^k，而k就是碼道的數(shù)量（其實(shí)就是二進(jìn)制）。

例如，如圖5所示，3個(gè)碼道的碼盤(pán)最多可以均分為8份，精度就是45°。每一個(gè)扇形區(qū)隔中的3個(gè)碼道就是二進(jìn)制數(shù)的3位（□□□），這個(gè)唯一的編碼就對(duì)應(yīng)了這個(gè)扇形區(qū)間。

圖5 絕對(duì)值式光電編碼器碼盤(pán)

如果要提高精度，就要增加碼道的數(shù)量，精度為360°/（2k)。如果將碼道增加到8個(gè)，那么精度就能達(dá)到1.4°。當(dāng)然等分?jǐn)?shù)不一定要等于2k，只要小于這個(gè)數(shù)，確保每個(gè)區(qū)間都有唯一的編碼就行（比如，8位編碼可以將圓盤(pán)200等分，精度1.8°）

二、磁編碼器

磁編碼器根據(jù)兩種電磁效應(yīng)，可以分為霍爾式和磁阻式。

霍爾式磁編碼器利用的是霍爾效應(yīng)，在磁場(chǎng)中載流導(dǎo)體會(huì)在磁場(chǎng)和電流方向的垂直方向形成電壓。

圖6 霍爾效應(yīng)原理（來(lái)自百度百科）

根據(jù)這個(gè)原理，只要在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上貼上徑向充磁的磁鐵，就能產(chǎn)生周期變化的磁場(chǎng)，附近的霍爾元件就能輸出變化的電壓信號(hào)，從而輸出位置信息。霍爾式磁編碼器結(jié)構(gòu)和圖1所示的光電編碼器很接近，只不過(guò)光柵換成了磁鐵、光電傳感器換成了霍爾元件。同樣的，如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)的方向，也需要在相位差90°（電角度）的位置再放一個(gè)霍爾元件，原理和圖3、圖4描述的相同。

磁阻式磁編碼器利用的是磁阻效應(yīng)，即某些材料的電阻在磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性的變化（跟載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力影響有關(guān)）。根據(jù)這一特性也可以輸出周期性的電信號(hào)，然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)電信號(hào)的數(shù)量來(lái)輸入位置信息，基本結(jié)構(gòu)跟原理和霍爾式編碼器相似。

光電編碼器和磁編碼器是用的最多的編碼器類(lèi)型，兩者各有優(yōu)勢(shì)。光電編碼器的精度和分辨率高，相應(yīng)速度快，但是對(duì)環(huán)境要求較高，對(duì)灰塵、油污和震動(dòng)的耐受較低，一般用在高精度的機(jī)床設(shè)備中。磁編碼器能耐受臟污等比較惡劣的環(huán)境，成本也相對(duì)低，但是精度相比光電編碼器低一些，而且容易受到外部磁場(chǎng)的影響。

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