「机器人学」“增量式/绝对式编码器”讲解

一、前言

编码器是一种角位移传感器，它通过检测机器人轮子在一定时间内转过的弧度数来确定机器人位姿的变化，主要分为光电式、接触式、电磁式三种，其中光电编码器是机器人最常用的位置传感器。根据提供的位置信息，编码器又分为增量式编码器和绝对式编码器。

二、增量式编码器

1. 定义：

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。编码器是把角位移转换成电信号的一种装置。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。

2. 特点：

增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其旋转方向的判别和脉冲数量的增减借助后部的判向电路和计数器来实现。其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。还可以把每转发出一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高分辨率时，可利用 90 度相位差的 A、B两路信号对原脉冲数进行倍频，或者更换高分辨率编码器。

3. 缺点：

停电移动问题：对于第一个问题，似乎大家都明白，单圈绝对值可以通过后续设备做加圈计数，那么停电后，在加圈计数部分不工作的情况下，最大可以顺时针或逆时针最多移动半圈。而多圈绝对值如果最大计数圈数是4096圈，那么停电可以顺时针或逆时针移动2048圈，可以满足绝大部分应用。
信号抗干扰问题，增量编码器因为脉冲的缘故，很容易被干扰掉。被抗干扰问题头痛的要命，也没有想到可以换绝对值编码器－－-其实换绝对值单圈就可以了，只要连续干扰的时间不超过转半圈的时间，绝对值信号还在。
后续设备的CPU资源问题，这个问题了解的人就不多了，用增量编码器，尤其是高分辨率编码器，后续设备要“眼睛一眨也不能眨”，如果是多轴的，那不累死啊，还能干啥别的活？实际的结果是出错几率大增。而绝对值编码器，只要保证采样时间单圈的在转动半圈内，多圈的在转动2048圈内，想什么时间采数，就什么时间采数，节省了大量CPU 时间去干别的，这就是高端伺服用绝对值真正的优势了。

三、单圈绝对值编码器

单圈绝对值编码器原理（码盘上的每一个位置都有唯一的编码）      绝对值增量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。
        单圈绝对值编码器与多圈绝对值编码器   所谓单圈和多圈编码器都是指绝对式编码器，绝对式编码器可以在任何时刻，尤其是在刚上电的时刻，就能感知当前的绝对角位置。单圈的只可以感知一圈之内的绝对角位置；多圈的不仅可以感知一圈之内的绝对角位置，而且可以感知编码器自使用之日起已经转过了多少角度。绝对编码器由机械位置决定每个位置的唯一性（当然这个角度是编码器正转和翻转的累加和）。
        绝对型旋转光电编码器，因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆。绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。。。。。。编排。这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码）。

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（Gray Code），另外由于最大数与最小数之间也仅一位数不同，即“首尾相连”，因此又称循环码或反射码。

格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式。因为，虽然自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但在某些情况，例如从十进制的3转换为4时二进制码的每一位都要变，能使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它在相邻位间转换时，只有一位产生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。由于这种编码相邻的两个码组之间只有一位不同，因而在用于方向的转角位移量－数字量的转换中，当方向的转角位移量发生微小变化（而可能引起数字量发生变化时，格雷码仅改变一位，这样与其它编码同时改变两位或多位的情况相比更为可靠，即可减少出错的可能性。

四、多圈绝对值编码器

多圈绝对值编码器是在单圈编码器的基础上通过机械传动原理，利用钟表齿轮机械原理结构制作而成。当中心光栅码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，从而大大简化了安装调试难度。

多圈绝对值编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出。

并行输出：
多圈绝对值编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。
但是并行输出有如下问题：
1）必须是格雷码，因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。
2）所有接口必须确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判断。
3）传输距离不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。
4）对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。
串行SSI输出：
串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。  由于多圈绝对值编码器好的厂家都是在德国，所以串行输出大部分是与德国的西门子配套的，如SSI同步串行输出。
SSI接口(RS422模式)，以两根数据线、两根时钟线连接，由接收设备向编码器发出中断的时钟脉冲，绝对的位置值由编码器与时钟脉冲同步输出至接收设备。由接收设备发出时钟信号触发,编码器从高位(MSB)开始输出与时钟信号同步的串行信号。
串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和可靠性就大大提高了。
一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。
现场总线型输出
现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号线连接在一起，通过设定地址，用通讯方式传输信号，信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号。总线型编码器可以节省连接线缆、接收设备接口，传输距离远，在多个编码器集中控制的情况下还可以大大节省成本。