编码器是电机控制中反馈位置/速度的传感器，是实现电机闭环控制的关键。基本原理是将位置信息转化为光、磁、电容等信号，再将这些信息号转化为电信号。编码器从信号类型可以分为：光电编码器、磁编码器、电容编码器、电感编码器等，其中光电编码器和磁编码器最为常用，下面主要介绍这两种编码器的原理。

一、光电编码器

光电编码器的原理是用明暗相间的光栅遮挡光源，在光栅另一边的光电传感器上产生高低电平，从而将位置信息转化为电信号（图1）。

图1 光电编码器结构

1.位置/角度。光栅盘上有n条缝隙，那么圆盘每转动360°/n就会发出一个高电平信号，那么这个编码器的精度就是360°/n。通过计数信号个数就可以知道转了多少度，也就是位移信号。有了位置/位移信息，除以时间，就是速度信息。

2.方向。再加一组相位相差90°（电角度）的光栅就可以达到这个目的了（两个光栅可以集成在一个圆盘上，如图2）。不难发现，顺时针旋转时（图3），A相信号的上升沿（低电平—高电平，或者说是暗—亮 ）总是对应B相的高电平状态（亮）；反过来，逆时针旋转时(图4），A相信号的下降沿总是对应B相的高电平状态（亮）。这样就可以判断旋转方向了。

图2 增量式光电编码器码盘的光栅结构

图3 顺时针旋转时,A相信号的上升沿总是对应B相高电平

图4 逆时针旋转时,A相信号的下降沿总是对应B相高电平

基于以上原理我们就可以得到一个增量式的光电编码器，为什么说是“增量式”的，因为我们发现如图2所示的AB相光栅结构是均匀的，转到任意位置，我们只能通过输出的信号数知道它转了多少角度，但没法知道具体在哪个位置。假如这个编码器在运转过程中突然断电，恢复之后，之前跑的信号丢失了，那么位置信息就丢失了，要继续测量就必须回到“零点”重新跑。增量式编码器适合测量速度，而测量位置则需依赖零点。

如果我们想不依赖零点就能确定位置信息怎么办呢，那就需要用到绝对值式编码器。原理也很简单，假如我们让整个圆周的每个细分区间的“图形”（或者说编码）都不同就可以了。如图5所示的绝对值式码盘，可以看到码盘是同心圆结构，每个同心圆称为一个码道，然后将圆盘均分成N份，那么360°/N就是绝对值编码器的精度。

这里的N一般是2^k，而k就是码道的数量（其实就是二进制）。

例如，如图5所示，3个码道的码盘最多可以均分为8份，精度就是45°。每一个扇形区隔中的3个码道就是二进制数的3位（□□□），这个唯一的编码就对应了这个扇形区间。

图5 绝对值式光电编码器码盘

如果要提高精度，就要增加码道的数量，精度为360°/（2k)。如果将码道增加到8个，那么精度就能达到1.4°。当然等分数不一定要等于2k，只要小于这个数，确保每个区间都有唯一的编码就行（比如，8位编码可以将圆盘200等分，精度1.8°）

二、磁编码器

磁编码器根据两种电磁效应，可以分为霍尔式和磁阻式。

霍尔式磁编码器利用的是霍尔效应，在磁场中载流导体会在磁场和电流方向的垂直方向形成电压。

图6 霍尔效应原理（来自百度百科）

根据这个原理，只要在电机的旋转轴上贴上径向充磁的磁铁，就能产生周期变化的磁场，附近的霍尔元件就能输出变化的电压信号，从而输出位置信息。霍尔式磁编码器结构和图1所示的光电编码器很接近，只不过光栅换成了磁铁、光电传感器换成了霍尔元件。同样的，如果要测量旋转的方向，也需要在相位差90°（电角度）的位置再放一个霍尔元件，原理和图3、图4描述的相同。

磁阻式磁编码器利用的是磁阻效应，即某些材料的电阻在磁场中会产生规律性的变化（跟载流子在磁场中受到洛伦兹力影响有关）。根据这一特性也可以输出周期性的电信号，然后通过统计电信号的数量来输入位置信息，基本结构跟原理和霍尔式编码器相似。

光电编码器和磁编码器是用的最多的编码器类型，两者各有优势。光电编码器的精度和分辨率高，相应速度快，但是对环境要求较高，对灰尘、油污和震动的耐受较低，一般用在高精度的机床设备中。磁编码器能耐受脏污等比较恶劣的环境，成本也相对低，但是精度相比光电编码器低一些，而且容易受到外部磁场的影响。

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