编码器和旋转变压器：如何选择合适的反馈类型

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懂得怎么选择绝对编码器

此白皮书详细的介绍了编码器和旋转变压器，并对其原
理进行剖析，帮助读者理解什么样的运动控制反馈装置
适合他们的应用。
编码器和旋转变压器：        如何选择合适的反馈类型
绝对式编码器 增量式编码器 旋转变压器400 666 1802   |   hengstler.sales@danaher.com   |   www.hengstler.com.cn
增量式编码器
A
B
Z
当前市面上的旋转定位和速度反馈装置的种类日益增加。选型已不再是使用编码器还是旋转变压
器的问题了。大量的问题令人疑惑不解。首先就是“该用绝对式还是增量式？”、“该用磁感应
式还是光电感应式？”。其次，市场上还有厂商提供电容式和电感式原理的编码器，我也应该考
虑么？我需要商用、工业用、重载、极重载还是超重载型？回答完所有这些问题是否就万事大吉
了呢？那你就错了。选择旋转变压器时你还要知道尺寸、速度、电气接口。而选择编码器时，你
还要知道分辨率、安装、输出和连接方式。
我们带来了好消息。我们将考察每一种编码器的反馈类型直至其核心技术，以及它们是如何用于
你的应用的。不过，你的应用才是出发点，而更了解它的人莫过于你自己，所以所选产品的好坏
最终还是取决于你自己。
我们也会在表中突出一些关键技术参数，从而你就可以根据你的应用、交叉参考不同的反馈设备
类型。下面我们开始吧！
增量式编码器依赖于外部电路根据编码器产生的计数计算位置。增量式编码器的输出形式可以为
单方波 (A)、正交方波（A和B，可判断旋转方向）、或带索引或每圈一个脉冲的正交方波（A、
B和Z）。采用正交方波判断旋转方向的方法常被称为“正交法”。
增量信号的发生机构常常被视为编码器的引擎。编码器有两种最主要的引擎：光电式和磁式。为
得到良好的输出兼容性，两种引擎都需要进行类似的传感器对准。
在光电式编码器中，光由LED产生并由一个芯片级传感器进行检测。两者之间为一个码盘，通常
由玻璃、金属或塑料制成。在增量式编码器中，在码盘的圆周上蚀刻、镀覆或冲压（如果是金
属）有精密的栅格。
磁性编码器包括一个磁栅鼓或磁栅盘、一个磁阻传感器和一个调节电路板。磁栅盘或磁栅鼓已被
磁化且具有许多极。磁栅盘或磁栅鼓转动时，传感器将磁场的正弦变化转化为电信号。该电信号
进而通过调节电路的乘除或插补处理产生合适的方波输出。400 666 1802   |   hengstler.sales@danaher.com   |   www.hengstler.com.cn
增量式编码器一直引领着速度反馈领域的潮流，目前还没有衰落的迹象。自2009年起，增量式编
码器是所有旋转反馈装置中最广泛使用的类型。凭借简单的硬件电路和软件设计，能够接收增量
式编码器输入的设备随处可见。你会发现驱动器、面板式仪表、计时器和PC卡都具有增量式编码
器接口。光电式编码器常见于办公室环境应用（如复印机）和工业应用（如自动引导车
(AGV)）。磁性编码器常用于恶劣环境中，如高架起重机、工程车辆和造纸厂等，而在这些应用下
光电编码器的性能可能会大幅降低。
绝对式编码器通过一定的方法能得到相应设备旋转的确切角度。绝对式编码器使用一种独特的二
进制图案，这种图案在旋转时不会重复，因此可向编码器指示绝对属性。装置即使断电，改变旋
转位置仍会反映其输出。如果编码器还带有可追踪旋转圈数的齿轮组，它就变成了一个多圈编码
器。
在光电绝对式编码器中，磁栅盘在LED和传感器之间转动，按照磁栅盘的图案，光要么能够透过
磁栅盘进而被传感器接收，要么被磁栅盘挡住。最终，通过这种方式编码器能够在数字信号的每
一位产生“开或关”。
在保证制造精度和理想的应用环境下，光电编码器具有所有反馈方式中分辨率和精度都是最高
的。Dynapar光电绝对式编码器每圈计数点大于4百万，具有36弧秒的精度。
绝对位置的传输可通过多种方式。最初的绝对式反馈装置使用并行数据传输位置信号。在并行数
据中，每一个二进制数字由独立的导线传输，然后由控制器进行解读。后来出现了串行编码器，
其绝对位置与时钟脉冲同步传输。SSI（同步串行接口）是一种最常见的串行编码器协议。BiSS编
码器可对时钟脉冲进行控制从而进行双向通信。
绝对式编码器400 666 1802   |   hengstler.sales@danaher.com   |   www.hengstler.com.cn
图2
总线型编码器也已问世。通过总线，多个编码器可以通过单根传输电缆进行直连或分接。Devi-
ceNet™、Profibus®和Interbus®是最流行的总线协议。
在磁性绝对式编码器中，绝对信息可通过在传感器网格上方转动磁体得到，见图1。这种传感器通
常为霍尔效应芯片或磁阻感应电路。
旋转变压器
绝对式或增量式编码器对使用环境的要求大同小异。不过绝对式编码器在世界范围内正越来越多
地被采用，因为随着设计越来越复杂，机器往往需要进行多轴同步并更加高效安全地运行。增量
式编码器须依赖额外的设备（如限位开关）才能在功能上实现精确的位置反馈。
与编码器类似，旋转变压器也是将机械运动转化为电子信号的转动式机电装置。但与编码器不同
的是，旋转变压器传输的是模拟信号而非数字信号。基本组成方面，旋转变压器由1个一次绕组和
2个相位在机械上成90°的二次绕组组成，见图2所示。旋转变压器的输出信号需要控制器能够转换
模拟信号的信号输入电路。
图1400 666 1802   |   hengstler.sales@danaher.com   |   www.hengstler.com.cn
图3
旋转变压器的参数之一为磁极数。图3为单转速旋转变压器的输出。磁极数等于旋转变压器转动一
圈的已调幅正弦周期数。多级旋转变压器是通过在转子和定子中相等地增加磁极数来实现的。最
大转速受旋转变压器的尺寸影响，一般用来提高精度。而一个单转速旋转变压器本质上是一个低
精度的单圈绝对式装置。随着转速输出的增加，旋转变压器也会失去绝对位置信息。如果空间允
许，在一个多转速旋转变压器上再加一个单转速旋转变压器可既可提高精度，又可获得绝对位置
输出。
轴角0
激励参考Ex
单转速正弦
输出1
单转速余弦
输出2
结束语
由于具有和电机相似的结构（绕组、叠片、轴承和支架），旋转变压器可用于超重载应用。因为
不带电路硬件，它能够在更加极端的温度下运行。因为不带光学元件以及不需精密对准，它能耐
受更多的冲击和振动。因为不带光学元件和电路硬件，它能够用于高辐射环境。
旋转变压器已经过时间的考验，但是模拟信号输出限制了其使用范围。旋转变压器最常见用于交
流永磁无刷伺服电机、军事、航空航天应用。
总之，应根据应用来选择旋转变压器或编码器反馈。控制电路和环境是两个最重要的考虑因素—
找到了这两个问题的答案，选什么就很清楚了。你可在下一页找到对应本文注解的量化指标。400 666 1802   |   hengstler.sales@danaher.com   |   www.hengstler.com.cn
装置分辨率最佳精度 IP等级冲击振动
光学增量式 10,000  ppr  最高2.5 arc-minIP67  50g1
 20g2
磁性增量式 2048 ppr NA3
 IP67  30g 18g
光学绝对式 222
 cpr 36 arc-secIP67  100g 10g
磁性绝对式 4096 cpr 0.6° IP68K  200g 20g  
旋转变压器 ∞ 10 arc-minIP674
200g5
 40g
表1：总结表6
 
1
2
3
4
5
6
基于Northstar HD25
基于Northstar HD25
Dynapar磁性增量式编码器精度取决于安装
带壳
带壳
所有值均基于Dynapar反馈产品线