伺服电机的编码器（Encoder）是实现高精度位置、速度和方向反馈的核心传感器。它通过检测电机转子的旋转状态，向控制器提供实时反馈信号，构成闭环控制系统。
下面详细介绍伺服电机编码器的工作原理以及其输出的典型电信号类型与含义。
一、编码器的作用（为什么需要它？）
在伺服系统中，编码器是“眼睛”：
✅ 实时告诉控制器：
- 电机当前转了多少圈（一圈一个脉冲）
- 转得多快（速度）（脉冲的个数）
- 朝哪个方向转动
📌没有编码器 → 开环 → 不知道实际位置
✅ 有编码器 → 闭环 → 自动纠正误差 → 精准控制
二、编码器的基本原理
编码器将机械旋转量转换为电信号输出，主要分为两大类：增量式编码器和绝对式编码器
✅ 1.增量式编码器（Incremental Encoder）
🔧 工作原理：
- 在旋转轴上安装一个带缝隙的码盘（光学式）或磁极对（磁电式）
- 固定的传感器（如光电管或霍尔元件）检测码盘转动时的通断变化
- 每转过一个固定角度，产生一个脉冲信号，就可以可以知道实际旋转的角度。
📈 输出信号（最常见）：
| 信号名称 | 类型 | 波形 | 含义 |
|---|---|---|---|
| A相信号（Channel A） | 数字方波 | ![Square Wave] | 每个周期对应一个分辨率单位（如每转2500个脉冲） |
| B相信号（Channel B） | 数字方波 | 相位滞后A相90° | 用于判断旋转方向：<br>-A领先B → 正转<br>- B领先A → 反转 |
| Z相信号（Index / Zero） | 数字脉冲 | 每转一圈输出一个脉冲 | 作为“原点”或“参考点”，用于回零定位（一圈回零位置） |
📌 分辨率单位：通常用PPR（Pulses Per Revolution）表示
例如：2500 PPR → 每转输出2500个A/B脉冲周期
⚙️ 内部结构示意（光学增量式）：
光源 → 码盘（带缝） → 光电接收器 → 放大整形电路 → 输出 A、B、Z 信号 ↑ 转轴带动✅ 特点：
- 成本低、响应快、广泛使用
- 断电后丢失位置信息（需重新“回零”）
- 控制器通过计数A/B脉冲并判向来计算位置和速度
✅ 2. 绝对式编码器（Absolute Encoder）
🔧 工作原理：
- 每个角度位置都有唯一的二进制编码或格雷码（Gray Code）
- 即使断电重启，也能立即读取当前位置，无需回零
📈 输出信号形式多样：
| 类型 | 信号形式 | 说明 |
|---|---|---|
| 并行输出 | 多根数据线（D0–Dn） | 每根线代表一位二进制值，直接输出当前位置 |
| 串行通信 | SSI、BiSS、Endat 等协议 | 高速数字接口，传输位置、速度、状态等信息 |
| 总线型 | CANopen、EtherCAT | 支持网络化多轴同步控制 |
✅ 特点：
- 上电即知位置，适合不允许回零的场合
- 抗干扰强，精度高
- 成本高，多用于高端工业设备
三、编码器输出的典型电信号详解
📍 1. 增量式编码器标准输出（A/B/Z）
| 信号 | 电气特性 | 功能说明 |
|---|---|---|
| A相 | 方波，频率 ∝ 转速 | 基础计数通道 |
| B相 | 方波，与A相差90°（正交） | 判向依据：<br>正转：A上升沿时B为低<br>反转：A上升沿时B为高 |
| Z相 | 每圈一个脉冲 | 回零标记，用于建立坐标系原点 |
🎯 示例：当电机以一定速度正转时：
- A、B均为高频方波
- A相领先B相 90°
- Z相每转输出一次窄脉冲
📌 控制器通过以下方式处理：
- 使用定时器捕获A/B边沿 → 计算转速
- 判断A/B相位关系 → 确定方向
- 检测Z相信号 → 完成“回零”操作
📍 2. 差分信号版本（增强抗干扰能力）
工业级编码器常采用差分信号提高可靠性：
| 信号对 | 类型 | 优点 |
|---|---|---|
| A+ / A− | 差分方波 | 抗电磁干扰（EMI），适用于长距离传输 |
| B+ / B− | 差分方波 | 同上 |
| Z+ / Z− | 差分脉冲 | 提高Z相信号稳定性 |
符合RS-422或TTL/HTL 差分标准
📍 3. 绝对式编码器输出（数字编码）
| 信号类型 | 示例 | 说明 |
|---|---|---|
| 并行输出 | D0–D15 | 16位并口，直接连接PLC输入模块 |
| SSI（同步串行接口） | CLOCK+, CLOCK−, DATA+ | 主从通信，逐位读取位置值 |
| BiSS-C / Endat | 高速双向协议 | 支持实时双向通信，可读写参数 |
📌 数据内容包括：
- 当前位置（多圈/单圈）
- 转速
- 温度
- 错误代码
四、编码器在伺服系统中的作用流程
┌──────────────┐ │ 电机转动 │ └──────┬───────┘ ↓ ┌──────────────┐ │ 编码器检测 │ ←─ 码盘随轴旋转 └──────┬───────┘ ↓（输出A/B/Z或数字信号） ┌──────────────┐ │ 伺服驱动器接收 │ ←─ 解码位置/速度 └──────┬───────┘ ↓（比较指令与反馈） ┌──────────────┐ │ 误差→调节输出 │ ←─ PID算法修正 └──────┬───────┘ ↓ ┌──────────────┐ │ 调整电流供给 │ ←─ 改变电机行为 └──────────────┘🔁 形成一个高速闭环：测量 → 比较 → 调节 → 再测量
五、常见编码器类型对比表
| 特性 | 增量式编码器 | 绝对式编码器 |
|---|---|---|
| 是否掉电记忆 | ❌ 否（需回零） | ✅ 是（上电即知位置） |
| 输出信号 | A、B、Z（方波） | 并行、串行、总线 |
| 成本 | 较低 | 较高 |
| 抗干扰性 | 中等（可加差分） | 强 |
| 分辨率 | 可达数万PPR | 可达百万脉冲/转 |
| 应用场景 | CNC、机器人基础款 | 高端自动化、医疗设备 |
| 接线复杂度 | 简单（3–6根线） | 复杂（需通信支持） |
六、典型应用场景
| 场景 | 编码器类型 | 原因 |
|---|---|---|
| 数控机床回参考点 | 增量式 + Z相 | 成本低，配合回零程序使用 |
| 工业机器人关节 | 绝对式或多圈编码器 | 不允许断电后失位 |
| 注塑机、包装机 | 增量式（差分） | 高速响应，环境干扰大 |
| 医疗影像设备 | 绝对式（高精度） | 安全要求高，不能回零 |
七、总结：编码器的核心价值
🔁编码器是伺服系统实现“精准、可靠、智能”控制的关键纽带。
它的电信号虽然看似简单（几个方波），但承载的是整个运动系统的“感知能力”。
🎯一句话概括编码器原理与信号意义：
编码器通过物理手段将旋转运动转化为电信号——增量式靠“计步”知道走了多远，绝对式靠“编码”记住当前位置；而A/B/Z信号则是它的语言，告诉控制器：“我在哪、往哪走、有多快”。
掌握这些信号的含义，就能真正理解伺服电机为何能“言出法随，令行禁止”。
