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编码器

编码器是一种把机械运动的位置、角度、速度或方向转换成电信号的传感器。

在非标自动化设备中，编码器通常安装在：

• 电机轴

• 输送线滚筒

• 丝杆

• 转盘

• 升降机构

• 测长轮

• 手轮

• 伺服电机内部

可以先把它理解为：

接近传感器通常只告诉PLC“到没到”，编码器则可以持续告诉控制系统“动了多少、往哪个方向动、速度多快”。

一、编码器在设备中的作用

编码器主要用于检测以下信息：

1. 位置

例如转盘转了多少角度：

转盘旋转 ↓ 编码器产生脉冲或位置数据 ↓ PLC计算当前角度

如果编码器一圈输出1000个脉冲，那么每收到一定数量的脉冲，就可以估算转盘转过的角度。

2. 位移或长度

编码器安装在测长轮上，测长轮压在材料表面。

材料向前移动 ↓ 测长轮转动 ↓ 编码器输出脉冲 ↓ PLC换算材料长度

常用于：

• 薄膜定长

• 电缆测长

• 板材送料

• 输送带距离检测

• 切割长度控制

3. 速度

PLC统计一定时间内收到多少个脉冲，就可以计算转速或线速度。

单位时间脉冲越多 ↓ 运动速度越快

常用于：

• 电机转速检测

• 输送线速度检测

• 滚轮速度同步

• 飞剪和追剪控制

4. 运动方向

增量式编码器通常有A、B两相信号。

通过判断A相和B相谁先变化，可以判断：

• 正转

• 反转

5. 原点或零位

部分增量式编码器带Z相信号。

编码器每旋转一圈，Z相通常输出一次脉冲，可用于：

• 每圈基准位置

• 回零

• 校准

• 转盘工位定位

• 电机机械零点确认

二、编码器与普通位置传感器的区别

三、编码器的主要分类

编码器最常见的分类是：

1. 增量式编码器

2. 绝对式编码器

此外还可以按结构分为：

• 旋转编码器

• 直线编码器

在非标自动化中，最常见的是旋转编码器。

四、增量式编码器

增量式编码器在轴转动时输出连续脉冲。

它告诉控制系统的是：

相对于上一次位置，又移动了多少

它不会天然记住绝对位置。

设备断电后，如果PLC计数值丢失，重新上电时通常不知道当前位置，需要：

• 重新回原点

• 重新找零

• 从机械基准位置重新计数

1. 增量式编码器常见信号

常见输出包括：

• A相

• B相

• Z相

• A反相

• B反相

• Z反相

最基本的是：

A B Z

2. A相信号

A相是一串脉冲。

编码器轴每转动一定角度，就产生一次高低电平变化。

PLC通过统计A相脉冲数量，可以知道运动量。

3. B相信号

B相和A相的频率通常相同，但相位错开90°。

例如正转时：

A相先变化 B相后变化

反转时：

B相先变化 A相后变化

PLC通过比较A、B相的先后顺序判断方向。

4. Z相信号

Z相又称：

• 零位脉冲

• 原点脉冲

• Index信号

一般每转一圈出现一次。

例如：

编码器一圈1000脉冲 每转一圈，Z相输出一次

Z相不能代替A、B相连续计数，它主要提供每圈基准。

五、A/B正交信号如何判断方向

A相和B相相差90°，称为正交编码信号。

例如正转：

A：__----____----__ B：____----____----

A相领先B相。

反转时顺序相反：

A：____----____---- B：__----____----__

因此控制系统不仅能知道脉冲数量，还能知道加计数还是减计数。

例如：

正转： 计数值 +1 反转： 计数值 -1

六、什么是1倍频、2倍频和4倍频

假设编码器标称一圈1000个A相周期。

控制系统可以采用不同计数方式。

1倍频

只统计A相上升沿：

一圈计数1000次

2倍频

统计A相上升沿和下降沿：

一圈计数2000次

4倍频

统计A相和B相的所有上升沿、下降沿：

一圈计数4000次

因此编码器标称1000P/R时，PLC最终一圈计数值可能是：

• 1000

• 2000

• 4000

具体取决于高速计数器的计数模式。

七、P/R、PPR、CPR和分辨率

编码器选型时经常看到：

• P/R

• PPR

• CPR

• Resolution

这些术语不同厂家可能使用方式不完全一致，不能只看缩写。

常见理解是：

PPR

Pulse Per Revolution，每转脉冲数。

例如：

1000 PPR

表示编码器轴每转一圈产生1000个基础脉冲周期。

CPR

Count Per Revolution，每转计数数。

有些厂家把4倍频后的计数值称为CPR。

例如：

1000 PPR 4倍频后为4000 CPR

但也有厂家把PPR和CPR混用。

因此必须查看说明书中明确写的是：

• 每圈脉冲周期数

• 每圈边沿数

• A相脉冲数

• 四倍频计数数

八、增量式编码器的计算方法

假设：

编码器分辨率：1000 PPR PLC使用4倍频 编码器轴每转一圈计数4000

1. 角度计算

角度 = 当前计数值 ÷ 每圈计数值 × 360°

例如计数1000：

1000 ÷ 4000 × 360° = 90°

2. 转速计算

假设0.1秒内收到200个计数：

每秒计数 = 200 ÷ 0.1 = 2000

每圈4000计数：

转速 = 2000 ÷ 4000 × 60 = 30 rpm

3. 线性长度计算

假设测长轮周长为200mm，每圈计数4000：

每个计数代表： 200 ÷ 4000 = 0.05mm

若收到10000个计数：

长度 = 10000 × 0.05mm = 500mm

4. 丝杆位移计算

假设丝杆导程为10mm/圈，编码器每圈4000计数：

每个计数位移： 10 ÷ 4000 = 0.0025mm

九、绝对式编码器

绝对式编码器输出的是一个明确的位置代码。

它告诉控制系统的是：

当前就在第几个位置

而不是只告诉系统移动了多少。

例如一圈分成4096个位置，编码器每个角度都有唯一数字。

即使设备断电后重新上电，控制系统通常仍可以直接读取当前位置。

1. 单圈绝对值编码器

单圈范围内每个角度都有唯一位置值。

例如：

分辨率12 bit 2¹² = 4096个位置/圈

但它通常不能单独区分已经转了多少圈。

2. 多圈绝对值编码器

除了知道单圈角度，还能记录旋转圈数。

例如：

单圈12 bit 多圈16 bit

意味着：

• 每圈4096个位置

• 可以记录65536圈范围

适用于：

• 升降轴

• 多圈丝杆

• 仓储设备

• 机器人关节

• 断电后不方便重新回零的机构

十、增量式和绝对式的区别

十一、编码器的工作电压

常见编码器工作电压包括：

• DC 5V

• DC 10～30V

• DC 12～24V

• DC 24V

• 5V差分输出

非标自动化中常见两类：

DC 5V编码器 DC 10～30V编码器

不能看到编码器有三根或多根线，就默认接24V。

如果把5V编码器接到24V，可能直接损坏。

十二、编码器的输出类型

增量式编码器常见输出电路包括：

1. NPN集电极开路

2. PNP集电极开路

3. 推挽输出

4. 电压输出

5. 线驱动差分输出

这是编码器选型和PLC连接中非常重要的部分。

十三、NPN集电极开路输出

NPN编码器输出动作时，把信号线拉向0V。

典型连接：

编码器+V → +24V 编码器0V → 0V A相 → PLC高速输入A B相 → PLC高速输入B PLC输入COM → +24V

NPN属于漏型输出。

如果PLC输入不带内部上拉，有时还需要外接上拉电阻，具体看编码器和PLC说明书。

十四、PNP集电极开路输出

PNP编码器输出动作时，向信号线提供正电压。

典型连接：

编码器+V → +24V 编码器0V → 0V A相 → PLC高速输入A B相 → PLC高速输入B PLC输入COM → 0V

PNP属于源型输出。

十五、推挽输出

推挽输出既能主动输出高电平，也能主动输出低电平。

相比开集电极输出：

• 信号边沿更快

• 抗干扰能力通常更好

• 不一定需要上拉电阻

• 适合较高频率

但必须确认PLC输入电压和输出电平兼容。

十六、线驱动差分输出

线驱动输出常见信号为：

A+ A- B+ B- Z+ Z-

也可能写为：

A /A B /B Z /Z

每一路信号都有一对相反电平。

例如：

A+为高时，A-为低 A+为低时，A-为高

PLC或运动控制器比较两根线之间的差值，而不是只看一根线对0V的电压。

差分输出的优点

• 抗共模干扰能力强

• 适合长距离传输

• 适合高速脉冲

• 适合伺服和运动控制

• 信号边沿稳定

常见电气标准包括：

• RS-422

• AM26LS31兼容线驱动

差分编码器必须接到支持差分输入的高速计数器或运动控制模块。

不能把A+、A-随便当作两个普通PLC输入。

十七、编码器与PLC的连接方式

编码器通常不能接到任意普通PLC输入点。

需要确认PLC是否具有：

• 高速计数输入

• A/B相计数功能

• Z相输入

• 单相脉冲计数

• 差分输入

• 对应电压等级

1. 单相计数

只接A相：

A → PLC高速计数输入

可以计算：

• 速度

• 脉冲数量

• 单方向位移

但不能仅靠A相判断方向。

2. A/B相计数

接入A、B两相：

A → 高速计数A输入 B → 高速计数B输入

可以判断：

• 脉冲数量

• 正反方向

• 加计数或减计数

3. A/B/Z相计数

接入：

A → 计数 B → 方向 Z → 每圈零位

可用于：

• 精确回零

• 每圈同步

• 转盘基准

• 位置校正

十八、编码器是否分PNP和NPN

部分编码器明确分PNP和NPN，尤其是开集电极输出型。

但是编码器输出类型不能只理解为PNP/NPN，因为还可能有：

• 推挽

• 线驱动

• 差分

• SSI

• CANopen

• EtherCAT

• IO-Link

因此选编码器时，需要同时看：

供电电压 输出电路 信号电平 最大频率 PLC输入接口

十九、编码器输出频率

编码器转速越高、每圈脉冲数越多，输出频率越高。

计算公式：

输出频率 = 每圈脉冲数 × 每分钟转速 ÷ 60

例如：

编码器：2000 PPR 转速：3000 rpm

输出频率：

2000 × 3000 ÷ 60 = 100000Hz = 100kHz

如果PLC高速输入最大只能接50kHz，就会漏脉冲。

因此编码器选型必须同时验证：

• 编码器最高响应频率

• PLC高速计数器最高输入频率

• 实际最高转速

• 使用1倍、2倍还是4倍频

二十、编码器的分辨率是不是越高越好

不是。

分辨率越高，理论上位置划分越细，但也会带来：

• 输出频率更高

• PLC计数压力更大

• 抗干扰要求更高

• 机械误差可能超过编码器分辨率

• 成本提高

• 调试更复杂

例如机械间隙已经有0.2mm，即使编码器理论分辨率达到0.001mm，也不代表设备真实定位能达到0.001mm。

实际精度还受到：

• 丝杆间隙

• 联轴器弹性

• 皮带打滑

• 测长轮滑动

• 轴承间隙

• 机械变形

• 安装同轴度

影响。

二十一、编码器的正常状态

以增量式编码器为例。

轴不转动

A、B相信号保持某个高或低状态 计数值不变化

需要注意，轴停止时A、B不一定都是0，也可能停在任意电平组合：

• A=0，B=0

• A=1，B=0

• A=1，B=1

• A=0，B=1

这取决于轴停止位置。

轴正转

A、B持续输出脉冲 PLC计数增加

轴反转

A、B相位顺序反向 PLC计数减少

每转一圈

带Z相的编码器：

Z相出现一次脉冲

二十二、编码器常见故障现象

1. 电机转动，但PLC计数不变化

可能原因：

• 编码器没有供电

• 供电电压错误

• A相信号线断开

• PLC接的不是高速输入点

• 高速计数器未配置

• PLC输入COM接错

• PNP/NPN不匹配

• 差分输出接法错误

• 编码器轴没有真正转动

• 联轴器松脱

• 编码器损坏

2. 计数值有变化，但方向相反

可能原因：

• A、B相接反

• 编码器安装方向与程序定义相反

• PLC高速计数方向参数设置错误

• 机械正方向定义与电气方向不一致

解决方式通常是：

• 交换A、B相

• 或在程序中反向处理

但要统一图纸、程序和机械方向定义，不能只临时修改其中一处。

3. 计数值跳动或不稳定

可能原因：

• 编码器信号受到干扰

• 屏蔽层接地不正确

• 信号线和动力线同槽

• 供电电压不稳定

• 联轴器松动

• 编码器轴振动

• PLC输入模式配置错误

• 单端信号传输距离过长

• 接线端子松动

• 编码器输出频率过高

4. 计数越来越不准

可能原因：

• 漏脉冲

• 干扰产生多余脉冲

• 测长轮打滑

• 联轴器松动

• 皮带打滑

• 机械传动间隙

• 编码器分辨率换算错误

• 1倍频、4倍频理解错误

• 轮径或丝杆导程设置错误

• 实际材料压缩或伸长

5. 每次运行误差固定为几倍

例如实际走100mm，PLC显示400mm。

常见原因：

• 编码器标称1000PPR

• PLC使用4倍频计数

• 程序却仍按1000计数/圈换算

这样结果会放大4倍。

相反，如果程序按4000计数/圈计算，但PLC实际只使用1倍频，结果会缩小4倍。

6. 高速时正常计数变少

可能原因：

• 输出频率超过PLC输入上限

• 传感器响应频率不足

• PLC输入滤波时间过长

• 电缆过长

• 信号电平衰减

• 单端输出抗干扰能力不足

• 程序读取方式不正确

• 普通扫描程序代替了硬件高速计数

7. Z相一直找不到

可能原因：

• 编码器本身不带Z相

• Z相信号线接错

• Z相脉冲太窄

• PLC输入频率不够

• Z相输入功能未启用

• Z+、Z-差分接线错误

• 机械没有完整旋转一圈

• 程序检测方式错误

二十三、使用万用表检查编码器

万用表只能完成基础检查，不能充分分析高速脉冲。

更合适的工具包括：

• 示波器

• 逻辑分析仪

• PLC高速计数监控

• 专用编码器测试仪

1. 测供电

先确认编码器供电端：

V+对0V

应符合编码器额定值，例如：

5V 或 24V

这是第一步。

2. 低速测单端输出

让编码器非常缓慢地转动。

对于PNP输出：

• 输出高电平时接近供电电压

• 输出低电平时接近0V

对于NPN输出：

• 动作时输出接近0V

• 关闭时由上拉或PLC输入回路拉高

如果转得太快，万用表只会显示平均电压，无法看到真实脉冲。

3. 蜂鸣档不能直接判断电子编码器输出

普通电子编码器内部是晶体管、驱动器或通信电路，不应像机械触点一样断电后直接用蜂鸣档判断A、B相通断。

二十四、使用示波器检查编码器

示波器适合检查：

• A相是否有脉冲

• B相是否有脉冲

• A、B是否相差90°

• 脉冲幅值

• 频率

• 边沿是否干净

• 是否存在干扰毛刺

• Z相是否每圈一次

• 差分信号是否互补

正常单端A/B相应类似方波。

如果波形出现：

• 电压过低

• 边沿缓慢

• 大量毛刺

• 周期不稳定

• A/B相缺失

需要继续检查编码器、布线、电源和负载。

二十五、通过PLC定位编码器故障

可以按照以下路径排查：

机械轴是否转动 ↓ 编码器轴是否同步转动 ↓ 联轴器是否松脱 ↓ 编码器供电是否正常 ↓ A/B/Z输出是否存在 ↓ PLC高速输入灯或诊断是否变化 ↓ 高速计数器当前值是否变化 ↓ 方向是否正确 ↓ 脉冲数换算是否正确 ↓ 程序是否正确使用计数值

例如输送线运行，但长度不增加：

1. 看编码器轴是否转动。

2. 检查测长轮是否打滑。

3. 测量编码器电源。

4. 查看PLC高速计数器当前值。

5. 如果计数不变，检查输出和接线。

6. 如果计数变化但长度不变化，检查程序地址和换算。

7. 如果长度变化但不准确，检查PPR、倍频、轮径和机械打滑。

二十六、编码器安装位置和机械结构要求

1. 编码器轴与机械轴要同轴

轴偏心或不同轴会造成：

• 联轴器反复弯曲

• 编码器轴承受径向力

• 振动

• 计数不稳定

• 编码器轴承提前损坏

• 联轴器断裂

编码器通常不应直接承受较大的：

• 径向力

• 轴向力

• 冲击力

2. 使用合适的联轴器

常见有：

• 弹性联轴器

• 梅花联轴器

• 波纹管联轴器

• 螺旋切缝联轴器

联轴器可以补偿少量：

• 偏心

• 角度偏差

• 轴向误差

但不能依靠联轴器补偿严重安装误差。

3. 实心轴和空心轴编码器

实心轴编码器

需要通过联轴器连接到机械轴。

优点：

• 通用

• 安装方式灵活

缺点：

• 需要额外联轴器和支架

• 同轴度要求较高

空心轴编码器

直接套在电机轴或机械轴上。

通常配合：

• 锁紧环

• 弹性臂

• 防转支架

优点：

• 安装紧凑

• 不需要传统联轴器

4. 测长轮必须防止打滑

测长编码器检测的不是材料真实长度，而是测长轮转过的周长。

如果测长轮打滑，即使编码器计数完全正确，长度结果仍然错误。

需要考虑：

• 压紧力

• 轮面材质

• 轮面磨损

• 材料表面油污

• 材料张力

• 轮径变化

• 轮子跳动

5. 电缆不能承受拉力

编码器电缆应：

• 固定在支架上

• 避免反复折弯

• 避免被旋转轴卷入

• 避免靠近高温部件

• 避免与动力线平行长距离布置

• 必要时使用屏蔽双绞线

6. 屏蔽层接地

编码器特别容易受到：

• 伺服驱动器

• 变频器

• 电机动力线

• 接触器

• 高频设备

干扰。

通常应使用屏蔽线，并按照设备电气规范进行接地。

常见做法是屏蔽层在控制柜端可靠接地，但具体应以编码器、PLC和驱动器说明书为准。

二十七、编码器的重要选型参数

1. 增量式还是绝对式

需要考虑：

• 断电后是否必须知道当前位置

• 是否可以重新回零

• 成本要求

• 控制器接口

• 位置精度要求

2. 每圈分辨率

例如：

• 100 PPR

• 500 PPR

• 1000 PPR

• 2000 PPR

• 5000 PPR

需要结合最高转速和PLC最高输入频率选取。

3. 工作电压

例如：

• DC 5V

• DC 10～30V

• DC 24V

4. 输出方式

例如：

• NPN开集电极

• PNP开集电极

• 推挽

• 线驱动差分

• SSI

• BiSS

• CANopen

• EtherCAT

• PROFINET

5. 输出信号

增量式需要确认：

• A相

• A/B相

• A/B/Z相

• 是否带反相信号

6. 最大响应频率

必须大于实际最高输出频率，并留有余量。

7. 最高允许转速

编码器机械转速也有上限，例如：

• 3000rpm

• 6000rpm

• 10000rpm

超过后可能损坏轴承或导致信号异常。

8. 轴径和轴型

例如：

• 6mm实心轴

• 8mm实心轴

• 10mm空心轴

• 12mm空心轴

• 盲孔轴

• 通孔轴

9. 外壳尺寸

常见：

• φ25mm

• φ38mm

• φ50mm

• φ58mm

• φ80mm

10. 安装方式

• 法兰安装

• 夹紧法兰

• 伺服法兰

• 空心轴套装

• 面板安装

• 底座安装

11. 防护等级

常见：

• IP50

• IP54

• IP65

• IP67

油污、粉尘、冷却液环境应选择更高防护等级。

12. 工作温度

例如：

-20℃～80℃ -40℃～85℃

13. 电缆或接插件

• 自带电缆

• M12接插件

• 航空插头

• 侧出线

• 后出线

二十八、编码器为什么型号很多

编码器型号多，是因为以下参数组合非常多：

• 增量式或绝对式

• 单圈或多圈

• 分辨率不同

• 供电电压不同

• PNP、NPN、推挽、线驱动

• A/B/Z或差分信号

• SSI、CANopen、EtherCAT等接口

• 实心轴、空心轴、通孔轴

• 轴径不同

• 外壳尺寸不同

• 法兰方式不同

• 最大转速不同

• 最大输出频率不同

• 防护等级不同

• 电缆长度不同

• 接插件不同

• 是否耐油

• 是否防爆

• 是否耐高温

• 是否抗振动

• 是否具有功能安全认证

因此不能只写：

买一个1000线编码器

更完整的选型描述应类似：

增量式旋转编码器 1000 PPR DC 10～30V 三线或多线输出 PNP推挽 A/B/Z三相信号 实心轴φ6mm 外壳φ50mm 最高转速6000rpm 最高输出频率200kHz IP65 用于连接PLC高速计数输入

或者：

增量式编码器 1000 PPR DC 5V RS-422线驱动差分输出 A+/A-、B+/B-、Z+/Z- 连接运动控制器差分高速输入

二十九、编码器的核心理解

编码器的完整信号链路是：

机械轴转动 ↓ 编码器内部光栅、磁盘或磁性结构变化 ↓ 产生A/B/Z脉冲或绝对位置数据 ↓ PLC高速计数器或运动控制器接收 ↓ 计算位置、速度、方向和长度 ↓ 控制电机、输送线、切割或定位动作

选择和使用编码器时，最重要的问题是：

测量位置、速度还是长度 增量式还是绝对式 断电后是否需要保留位置 每圈需要多少脉冲 最高转速是多少 最高输出频率是多少 PNP、NPN、推挽还是差分 PLC是否有对应高速输入 使用1倍频还是4倍频 机械上是否存在打滑、间隙和不同轴

编码器能够提供很高的理论分辨率，但设备最终精度不只取决于编码器，还取决于：

• 机械传动

• 安装精度

• 联轴器

• 测长轮

• 丝杆

• 皮带

• PLC高速计数能力

• 电气抗干扰设计

所以编码器选得很高端，并不等于设备的实际定位精度就一定很高。