编码器是什么？增量式与绝对式编码器的原理与区别

工业运动控制中的编码器，是把转动或直线位移转换为电信号的位置传感器。控制器读取这些信号，得到轴或工作台的位置，并可结合时间计算速度、判断运动方向。编码器负责提供反馈，电机的实际运动仍由驱动器和机械机构完成。

增量式与绝对式的核心区别，在于位置信息如何表达：增量式输出运动过程中产生的增量，控制器累计计数后得到相对参考点的位置；绝对式让编码范围内的各个离散位置具有可识别的编码，读取当前编码即可得到对应位置。至于断电后能否恢复多圈位置，还要看圈数记录方式和整个系统的状态。

编码器怎样把转轴运动变成电信号？

以常见的光学旋转编码器为例，带有图案的码盘或码环随轴转动，读头检测透射光或反射光的变化，再由电路整理成可输出的信号。均匀重复的图案可以用于产生运动增量；能够区分位置的图案则可用于识别当前位置。磁式编码器通过磁性元件检测随转轴变化的磁场，再经过信号处理形成角度或增量信息。检测到的物理变化，必须经过这样的处理，才成为控制器能够解释的数据。

因此，描述一个编码器时，需要分开看三个维度：旋转式或直线式说明测量的运动形式；光学式或磁式说明检测原理；增量式或绝对式说明位置信息的表达方式。它们可以组合，光学式并不必然等于增量式，磁式也不必然等于绝对式。直线编码器沿标尺检测位移，同样可以采用不同的检测和编码方式。相关物理机制可参见AKM编码器类别及架构说明。

增量式编码器如何通过A/B/Z得到位置？

A/B的先后顺序提供方向，计数提供位移

常见数字增量编码器输出A、B两路方波。轴每转过一定角度，信号便经历一个周期；两个通道错开四分之一周期，也就是90°电气角。这里的90°描述信号相位，不能理解为转轴必须转过90°机械角。若每转产生1000个完整周期，一个周期对应的机械角只有0.36°。

假设以“A在前、B在后”的顺序为正方向，A、B的高低电平组合可以依次为：00 → 10 → 11 → 01 → 00。反向运动时，状态沿相反顺序变化。解码器据此决定计数增加还是减少；只看一路周期信号的数量，则不能用这种方法区分方向。哪一方向被设备定义为顺时针，还取决于观察轴的哪一侧、接线与参数约定，不能单凭“A领先B”作统一判断。OMRON术语说明对输出相位差及方向观察条件作了区分。

控制器将带正负方向的计数累加，并按每转计数值换算成角度。例如，已经在参考点把位置设为零，之后正向累计四分之一转，再反向退回八分之一转，最终位置就是相对该参考点的八分之一转。这个结果依赖于起始参考以及运动期间的连续、正确计数。

Z提供重复参考，回零建立机器坐标

带Z通道的常规旋转增量编码器，通常每转输出一次参考脉冲。它给出一个可重复识别的圈内参考位置，但并非所有增量编码器都带Z，也不能仅凭这一次脉冲知道轴处于第几圈。A/B用于追踪运动增量，Z用于定位参考事件，二者承担的任务不同。AKM的增量与绝对方法说明给出了A/B与Z的工作示例。

机器回零时，可以先用参考开关确定所在区域，再按设定方向寻找参考脉冲，并将这个位置设置为指定机器坐标或加入偏置。具体顺序由控制系统的回零方式决定；Z脉冲所在位置不会天然等于工件零点。Beckhoff参考脉冲回零功能也将找到参考事件与设置轴位置分别处理。

如果掉电导致累计计数丢失，或者停电期间轴发生了未被记录的运动，恢复供电后就需要重新建立可靠参考。带备电、持续计数或其他位置保持措施的系统，可能继续保留位置信息；这来自系统设计，不能仅凭“增量式”三个字判断。

绝对式编码器如何读取当前位置？

绝对式编码器将测量范围划分为离散位置，每个位置对应可识别的编码。读取端按照规定的编码规则，把当前信号解释成位置编号，再换算为角度或长度。它不需要先从某个参考点开始累计所有经过的脉冲，才能知道当前位于编码范围内的哪里。

多轨光学码盘是一种便于理解的实现：不同轨道同时形成一组明暗状态，对应一组编码位。磁式绝对编码器则可以从磁场方向求出角度，再生成位置数据，不必采用同样的多轨码盘。位置数据可通过并行或串行等接口传递，具体格式由产品决定；“绝对式”本身并不规定所有产品都使用同一种通信方式。

单圈区分一圈内位置，多圈另行记录圈数

单圈绝对式编码器覆盖一圈内的位置。以同一基准为起点，转到30°与转到390°时，圈内角度相同，因此单圈读数也相同。它能够直接识别当前角度，却没有仅靠这一读数区分两次位置所差一整圈的信息。

多圈绝对式在圈内位置之外，还记录圈数。例如“第1圈加30°”与“第0圈加30°”就可以区分。多圈范围仍是有限的，超过规定范围可能发生数值回绕，如何处理要看设备与控制器定义。规格中的单圈位数决定一圈分成多少份，多圈位数决定可区分多少圈，两者不能混成同一个圈内角度分辨率。POSITAL的单圈与多圈原理说明明确区分了这两部分信息。

断电期间转轴移动，多圈位置还能恢复吗？

恢复供电后，单圈绝对式可以重新检测当前圈内物理位置；但要恢复跨圈后的完整位置，还必须知道停电期间经过了多少圈。不同多圈技术解决的是这一步，不能只凭“有存储器”判断能力。把断电前的数字保存下来，并不会自动记录之后的无电运动。

• 机械保持：齿轮等机构把多圈转动转化为可读取的机械状态，圈数信息随机构位置保留。HEIDENHAIN的编码器特征说明将齿轮多圈与电池缓冲多圈列为不同实现。
• 电池供电计数：主电源断开后，电池继续给圈数计数及保存电路供电。因此能否保持完整位置，取决于电池及相关电路状态。Baumer EN580C手册第15页说明了这种工作方式。
• 运动能量采集：例如采用Wiegand方案的多圈编码器，可利用磁状态变化产生的短能量脉冲为计数电子电路供能，在不依赖外部电源或电池的条件下记录转数。这个能力属于支持该机制的产品，不能推广到全部绝对式编码器。

上述机制解决的是位置恢复或圈数保持，不能据此认为主电源关闭时编码器仍持续向控制器发送数据。即使能够恢复完整绝对位置，首次安装、更换编码器或机械连接关系改变后，也仍需建立编码器零位与机器零点的对应关系；免去每次开机寻零，不等于免去坐标设置。

增量式与绝对式编码器的主要区别是什么？

比较对象	增量式	绝对式
位置如何形成	将运动增量按方向累计，与已知参考位置关联	读取当前位置对应的编码，并按规则解释
静止时读取什么	A/B当前电平本身不足以确定完整位置，需依赖累计计数	在有效编码范围内，可读取当前的位置码
启动后的参考	计数关系失效时，需要回零或其他方式重建参考	位置关系有效时可直接使用读数，但机器坐标对应仍需事先建立
多圈位置	由控制器跨圈累计，依赖连续可靠的计数及计数器范围	多圈型另含圈数信息，受其测量范围及保持机制约束
主要解读工作	识别方向、捕获边沿、维护计数，再进行比例与零点换算	读取有效码值，解释圈内位置、圈数及状态，再进行坐标换算

PPR、CPR与四倍频计数怎么计算？

PPR、CPR都经常出现在增量编码器规格中，但缩写含义并不跨厂商统一。有的资料将PPR用于每转脉冲数、将CPR用于每转计数；US Digital的定义则把CPR写为每转完整周期数，并用PPR描述四倍解码后的输出数量。因此，看到“1000 PPR”或“1000 CPR”，应先确认原文指每相周期、脉冲还是解码后的计数，不能直接套用“CPR等于PPR的四倍”。

下面采用明确的教学假设：轴每转一圈，A相有1000个完整周期，B相具有相同周期数并相差四分之一周期。名义角度步距的计算方法是360°除以每转计数。常见的解码方式如下，方向仍通过A/B关系判断：

解码方式	每个信号周期采用的计数事件	每转计数	名义角度步距
×1	每个A相周期计一次	1000	0.36°
×2	A相上升沿与下降沿	2000	0.18°
×4	A、B两相的上升沿与下降沿	4000	0.09°

四倍频也称四倍解码，本质是把原有A/B信号中的四个边沿都用于计数，并没有给码盘增加四倍物理刻线，Z脉冲也不参与这个倍数。采用上述×4方式，从已知参考点净增加1000个计数，对应角位移就是1000 ÷ 4000 × 360° = 90°。

控制器或软件要求填写的“每转脉冲数”，有时指原始每相周期数，解码倍数另行设置；有时要求填写解码后的每转计数。若设备已经执行×4，再把参数重复乘4，角度换算就会出错。NI的编码器接入说明就明确提示，其相关计数配置会内部处理解码倍数。实际填写时应核对所用控制器的参数定义。

编码器分辨率为什么不等于测量精度？

分辨率表示能够区分的位置有多细，精度涉及报告位置与真实位置的误差。前面算出的0.09°只是给定计数方案下的名义量化步距，不能写成“测量精度为±0.09°”。同理，12位单圈绝对式可表示2¹² = 4096个位置，名义角度步距约为0.0879°，这一数字本身仍不说明实际角度误差有多大。

如果刻线间距、传感元件位置或安装偏心引入了误差，增加输出位数或计数细分只能使读数变得更细，不能自动消除这些误差。重复性又是另一个问题：同一位置多次测量能否得到接近的结果，并不等于这些结果都接近真实值。Dynapar对分辨率、精度和重复性的说明强调了这些指标的区别。

还要区分编码器所测位置与最终负载位置。编码器装在电机轴上，直接反馈的是该轴的运动；从电机轴到工作台之间，减速器间隙、丝杠导程误差、联轴器变形或温度变化，仍可能使换算位置偏离负载实际位置。因此，编码器的量化步距、编码器测量误差和整机定位误差，应分别理解。

编码器反馈怎样进入电机与机械轴控制？

先解释位置，再由控制系统纠正运动

一条典型反馈链路是：转轴运动被编码器检测，信号进入驱动器的反馈接口或控制器的高速计数/位置接口，系统将计数或码值换算成角度、速度和机器坐标，再与目标值比较，调整驱动输出。编码器提供的是测量信息；闭环控制还需要控制算法、驱动器、电机和机械机构共同工作。各部分的职责可延伸阅读伺服电机工作原理与编码器作用。

沿用每转4000个计数的教学例子，假设电机与丝杠按1:1连接，丝杠每转让工作台名义移动5毫米，那么每个计数对应的名义直线位移为5 ÷ 4000 = 0.00125毫米，也就是1.25微米。这个比例可用于坐标换算，却不能据此宣布工作台能达到1.25微米定位精度。若改为在负载处安装直线编码器，反馈直接反映该处的位移，但整机性能仍受安装、测量及控制动态影响。

电气接口、计数速度与读取周期都会影响反馈

信号到达控制器之前，还必须满足两端的电气接口要求。即使端子都标为A、B，供电与信号电平、输出电路和接收方式也可能不同；屏蔽、接地与线缆布置应按设备要求处理。接口不匹配或干扰造成多计、漏计时，增量计数换算公式即使正确，也不能得到正确位置。

速度越高，同样分辨率对应的信号越快。仍假设每转每相1000个周期，当轴以3000转/分钟运行时，每秒转50圈，A相频率为50 × 1000 = 50千赫；×4解码对应每秒200000个计数事件。接收端的规格有的按输入周期频率描述，有的按边沿或计数速率描述，需要按同一口径核对。OMRON原理指南给出的响应频率关系也是转速、每转分辨率与时间单位之间的换算。

高速硬件可以持续累计计数，软件再定期读取计数器；这与软件按普通扫描周期直接查看A/B电平是两回事。扫描间隔内若已发生多个变化，单次电平读取无法补回全部边沿。绝对式也存在时效问题：读到的是某一采样时刻的位置，更新周期和传输延时会影响高速运动下的反馈；从连续读数计算速度时，还要正确处理单圈数值从末端回到起点的变化。编码方式决定位置怎样表达，完整链路则决定这些信息能否及时、准确地用于控制。

参考资料

• AKM：《#02 编码器类别及架构》《#03 增量方法和绝对方法》。
• OMRON：Overview of Rotary Encoders；Explanation of Terms。
• Beckhoff：MC_StepReferencePulse功能说明。
• POSITAL：Singleturn & Multiturn Measurement Principles。
• HEIDENHAIN：Encoder characteristics。
• Baumer：EN580C手册，V1，2023年5月5日，第15页。
• US Digital：Resolution术语说明。
• NI：Difference Between Single-Ended and Differential Quadrature Encoders With NI DAQ Cards。
• Dynapar：Encoder Resolution, Encoder Accuracy and System Repeatability。