旋转编码器是什么？它的工作原理是什么？

旋转编码器是用来测量转速并配合PWM技术可以实现快速调速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出（REP）。

好的，我们用中文来解释一下旋转编码器及其工作原理。

什么是旋转编码器？

旋转编码器（通常简称为“编码器”）是一种机电传感器，它的主要功能是检测和控制旋转轴的角度、位置、速度和方向。

你可以把它想象成一个非常精确的“角度/位置测量仪”或者“数字化的旋转刻度盘”。它把机械旋转的物理量转换为电子设备能理解和处理的数字信号（通常是脉冲信号或二进制编码）。

旋转编码器的工作原理

旋转编码器的工作原理核心是光学检测（最常见）或电磁感应，我们主要讲最常见的类型。它根据工作方式和输出信号的不同，主要分为两大类：

1. 增量式旋转编码器

结构核心：
- 带刻度的码盘： 一个固定在旋转轴上的圆形码盘。码盘上有一圈或多圈等间距、明暗相间（透明/不透明，或反射/非反射）的刻度线。
- 光源和光电传感器： 码盘两侧一边是LED光源，另一边（或同侧反射）是一组或多个光电传感器（光电晶体管）。
工作过程：
1. 当码盘随着轴旋转时，刻度线会周期性地遮挡光线或允许光线通过。
2. 光线每通过或被遮挡一次，下方的光电传感器就产生一个脉冲信号。
3. 这些脉冲信号的数量反映了旋转的角度或圈数（例如，一圈有1000个脉冲，每转1度就产生1000/360≈2.78个脉冲）。
4. 方向判断： 标准的增量编码器有两个相差90度（“正交”） 的输出通道（A相和B相）。观察这两个脉冲信号的相位关系（哪个信号先变高或先变低），就可以确定旋转方向（顺时针或逆时针）。
5. 参考点（Z相/Index相）： 很多增量编码器还有一个“零位信号”（Z相）。它每转一圈产生一个脉冲，用于提供一个精确的参考位置（绝对零点），用于定位或计数复位。
输出特点：
- 输出的是相位差90度的脉冲序列（A, B 和可选的 Z）。
- 本身不记录绝对位置（断电就丢失位置信息）。
- 需要外部计数器来累积脉冲以确定位置或圈数。
- 优点： 结构相对简单，成本较低，分辨率可以很高（通过细分技术），输出信号容易处理。
- 缺点： 断电后位置信息丢失，需要重新寻零。

2. 绝对式旋转编码器

结构核心：
- 复杂的码盘： 同样是固定在旋转轴上的圆形码盘，但其表面刻有独特的同心环道（类似多个码道）。
- 多通道光电传感器阵列： 每个环道（码道）对应一到两个光电传感器。码道上刻有独一无二的二进制图案（常用格雷码，减少同步误差）。
工作过程：
1. 码盘旋转时，每个环道上的图案会改变通过其对应传感器的光线状态（通/断）。
2. 多个传感器同时读取各自环道的状态（0或1）。
3. 传感器阵列的输出信号组合成一个唯一的二进制数（例如8位、10位、12位或更多）。这个二进制数直接对应于码盘（旋转轴）当前的绝对角度位置。
4. 在360度圆周内，每一个可能的角度位置都有一个独一无二的编码值。
输出特点：
- 输出的是一个直接代表绝对位置角度的二进制编码（如并行输出、串行输出 - SSI, SPI, BiSS等、模拟输出）。
- 只要在编码器本身的物理范围内，就能立即知道准确的位置，即使刚上电或断电重启后也无需移动或寻零。
- 优点： 无需寻零，断电重启后位置信息不丢失，抗干扰能力强（瞬时断电或脉冲丢失不影响最终位置读数）。
- 缺点： 结构更复杂（更多码道和传感器），成本更高（特别是高分辨率时）。

总结工作原理的关键点

核心机制： 利用固定在转轴上的特殊码盘（有刻度或编码）与固定的传感器（光电或磁敏）之间的相对运动。
信号转换：
- 增量式： 光线的明暗变化 -> 脉冲数量 + 相位差（A/B相） -> 速度/位置增量 + 方向 -> 需要外部计数器。
- 绝对式： 特定位置的唯一图案 -> 多路二进制信号组合 -> 唯一的绝对位置编码值。
结果： 将旋转轴的物理运动精确地转化为电子信号，用于控制系统进行位置、速度、方向的闭环控制或监测。