正交编码器的工作原理

好的，正交编码器的工作原理可以用以下几点概括：

核心目标： 精确测量旋转运动物体的位置（角度）、旋转方向 和速度。

核心组件：

码盘： 安装在旋转轴上。码盘上有一系列同心圆环（称为轨道），轨道上均匀布置着明暗相间（对于光学编码器）或 磁极交替（对于磁编码器）的栅格。
传感器（发射器和接收器）：
- 光学编码器： 在码盘两侧，一侧是发光元件（LED），另一侧是对应的光敏元件（光电晶体管）。光线通过码盘上的透明部分（明栅格）到达接收器，被不透明部分（暗栅格）阻挡。
- 磁编码器： 传感器通常是霍尔元件，检测码盘上交替的磁极（N/S极）变化。
两套传感器系统： 这是“正交”的关键。编码器通常配备两套独立但结构完全相同的传感器系统（两个发射器+两个接收器，或两个霍尔元件），分别称为 A 相 和 B 相。

“正交”的本质：

这两套传感器在码盘上的安装位置物理上错开一定的角度差（通常是1/4个栅格的机械角度）。
当轴带动码盘旋转时：
- 两个传感器会分别产生一个方波脉冲信号（A相和B相信号）。
- 相位差： 由于传感器错开安装，A相信号和B相信号在时间（电角度）上会相差90度（即四分之一个周期）。这就是“正交”（相位差90度）一词的由来。这两个信号也称为“正交信号”。

工作原理图解：

想象码盘上一个栅格周期（明+暗）代表一个脉冲。

静止或匀速旋转时： A相和B相的输出都是占空比约50%的方波（高低电平时间大致相等）。
判断方向：
- 当码盘顺时针旋转时：假设A相信号领先于B相信号90度（相位差 +90°）。也就是说，A相的上升沿出现时，B相处于低电平；或者A相的下降沿出现时，B相处于高电平。
- 当码盘逆时针旋转时：假设A相信号滞后于B相信号90度（相位差 -90°）。也就是说，A相的上升沿出现时，B相处于高电平；或者A相的下降沿出现时，B相处于低电平。
（以上领先/滞后关系取决于具体安装设计，但原理相同：相位差符号反映了旋转方向）
测量位置（计数）：
- 编码器内部的计数器会检测A相和B相信号的边沿（上升沿和下降沿）。
- 每次检测到一个有效的边沿变化（通常是A相或B相的上升沿或下降沿），计数器就递增或递减一个值。
- 方向决定计数方向： 控制逻辑会根据 当前A相和B相的状态，特别是当某个边沿（如A相的上升沿）发生时，观察 B相的电平是高还是低，来判断这是顺时针旋转还是逆时针旋转，进而决定计数器是加1 还是减1。
- 四倍频： 更高级的计数方式是利用 A相和B相的所有四个边沿（A相上升沿、A相下降沿、B相上升沿、B相下降沿）。这样在一个物理栅格周期内，计数器可以计数4次，使得分辨率（精度）提高到物理栅格分辨率的 4倍。
测量速度（可选）：
- 通过测量两个脉冲（或两个边沿）之间的时间间隔，可以计算出旋转的 瞬时角速度。
- 通过在一段时间内统计总的脉冲数量，可以计算出平均转速（RPM）。

额外信号：Z相（零相、索引相）

很多正交编码器还有一个 Z 相信号。
码盘上有一个特殊的标记（比如一个长条透光孔或一个特定磁极），对应的位置上安装有第三个传感器。
只有当轴旋转到唯一的一个特定位置（通常是零位或机械原点）时，Z相才会产生 一个脉冲。
作用：
- 绝对位置校准： 系统上电启动或需要找原点时，可以利用Z相脉冲将计数器清零，或者校准到一个已知的绝对位置。
- 消除长期运行时累计脉冲计数可能产生的误差。

总结：

正交编码器利用安装在旋转轴上的码盘和相位差90度（正交）的两路脉冲信号（A相和B相），通过检测这两路信号的边沿以及它们之间的电平关系，来实现位置计数（方向决定加减）和旋转方向判定。这种设计使其具有精度高、可辨向、测速方便等优点，是现代伺服系统、机器人关节、数控机床等设备中位置反馈的核心元件。