2. 旋转编码器基础

旋转编码器是把机械转角转换为电信号的传感器，广泛用于电机闭环控制、机器人关节、数控转台和精密测量平台。要正确选型与设计测量系统，必须先分清两类基本编码器——增量式与绝对式——并理解分辨率、精度、重复性这些容易混淆的核心术语。本节从原理出发，逐层建立概念，并给出可落地的判断方法。

一、增量式编码器：靠“数脉冲”推算位置

增量式编码器的码盘上刻有等间距的透光/反光栅格，旋转时输出两路相位差 90° 的方波信号 A 与 B，以及每转一次的零位信号 Z。系统通过计数脉冲数量得到相对位移，通过 A、B 的相位先后判断旋转方向，通过 Z 信号建立每转的绝对参考点。

其核心关系为：每转脉冲数 PPR（Pulses Per Revolution）决定角分辨率，四倍频后有效计数为 4×PPR。例如 2500 线编码器四倍频后每转 10000 个计数，理论角分辨率约 0.036°。增量式的优点是结构简单、响应快、成本低；缺点是断电后位置丢失，上电必须回零或依赖 Z 信号寻零。

二、绝对式编码器：每个位置都有唯一编码

绝对式编码器的码盘采用多圈同心码道，每一角度对应唯一的数字码字，常见编码方式有格雷码、二进制码和伪随机码。按输出接口可分为并行、SSI、BiSS、EnDat、CANopen 等。它无需计数即可直接读出当前角度，断电后位置不丢失，上电即得绝对位置。

绝对式又分单圈与多圈：单圈只在一转内唯一，多圈通过齿轮组或电池/能量收集计数圈数，可表示数万转的绝对位置。其分辨率由位数决定，如 17 位单圈对应 131072 个位置，理论角分辨率约 0.0027°。代价是结构复杂、成本高、接口与协议更重。

三、分辨率、精度、重复性：三个不能混用的指标

分辨率是编码器能分辨的最小角度变化，是“刻度尺最小格”，由 PPR 或位数决定，属于理论能力。精度是测量值与真实角度之间的最大偏差，包含码盘刻划误差、安装偏心、信号细分误差等，是“准不准”。重复性是多次回到同一位置时读数的一致性，是“稳不稳”，通常优于精度。

三者关系可用一句话概括：高分辨率不等于高精度。一个 23 位绝对式编码器分辨率可达 0.00004°，但若安装偏心 0.01 mm，在 50 mm 半径处引入的角度误差约 0.011°，精度远低于分辨率。因此系统设计必须同时关注机械安装与电气细分。

四、典型场景：伺服电机换向与转台定位

在伺服电机换向控制中，增量式编码器配合霍尔传感器完成上电换向，随后依靠 A/B 计数实现高速闭环，成本低、带宽高。而在数控转台或机器人关节中，绝对式编码器让设备上电即知角度，避免回零碰撞，多圈型号还能记录关节累计圈数。

# 增量式测角示例（四倍频计数）
PPR = 2500
counts_per_rev = 4 * PPR        # 10000
angle_deg = counts / counts_per_rev * 360

# 绝对式测角示例（17 位单圈）
bits = 17
lsb_deg = 360 / (2 ** bits)     # ≈ 0.00275°
angle_deg = code * lsb_deg

五、常见误区与复盘

• 误区一：把分辨率当精度。分辨率只是刻度，精度还受机械与电气误差影响。
• 误区二：忽略安装偏心。偏心是角度误差的主要来源，需用千分表校正同轴度。
• 误区三：增量式不做屏蔽与差分传输，长线时脉冲丢失导致计数错误。
• 误区四：绝对式多圈电池耗尽后未设报警，圈数丢失造成位置跳变。

掌握增量式与绝对式的原理差异，并厘清分辨率、精度、重复性的边界，是后续信号采集、接口设计与误差补偿的基础。只有把“刻度能力”和“真实准确度”分开评估，才能设计出既经济又可靠的旋转编码器测量系统。