如何选择步进电机配合编码器？

[导读]在确保编码器具备优良质量和性能的前提下，我们还需要综合考虑其性价比。由于市场上不同品牌和型号的编码器在价格上可能存在显著差异，因此，在做出选择时，必须全面衡量价格、性能以及售后服务等多个方面，以便选出最符合自身需求的编码器产品。

编码器选择需根据分辨率、精度、应用场景等核心参数匹配步进电机与智能系统的需求。以下是关键考量因素及建议：

分辨率与精度

分辨率指编码器每转输出的脉冲数，直接影响位置测量的精细度。例如，天文观测需26位分辨率(即每转产生约46亿脉冲)以追踪恒星微小移动，而工业自动化中常用增量式编码器通常提供32-10000 CPR(每转周期)的分辨率范围。选择时需确保分辨率满足系统对定位精度的需求，例如机床需高精度编码器实现微米级定位。 ‌

增量式与绝对式的选择

‌增量式‌：通过累计脉冲数确定位置，适合中低精度场景，成本较低，但断电后需重新校准。

‌绝对式‌：直接输出当前绝对位置，断电后仍可准确复位，适合高精度、高可靠性场景(如伺服系统)。 ‌

安装与维护

步进电机通常需通过联轴器连接编码器，安装时需注意轴向和径向偏差对精度的影响。光学编码器需避免污染物干扰，电磁编码器更耐环境干扰但精度稍低。 ‌

成本与可靠性

电磁编码器成本低且抗干扰性强，适合恶劣工业环境;光学编码器精度高但维护成本较高。选择时需平衡预算与系统长期稳定性需求，例如智能车比赛中常用低成本增量式编码器实现基础速度监测。

编码器作为一种转换信号的器件，广泛应用于我们生活的四周。

在智能车比赛中，需要利用编码器检测车模的瞬时速度，实现对车模速度的闭环反馈控制，从而使得小车的控制板能够根据赛道路况的变化而执行软件给定的指令，如加速、减速、转弯等。

在天体探索中，科学家使用大型天文望远镜对恒星进行追踪时，天文望远镜要达到一定的速度控制精度，就需要选取合适的编码器。不过此时对编码器的要求非常高，比如当恒星速度为0.004%，需要分辨率为26位的编码器才能符合测速要求。

此外，还有电梯专用型编码器、机床专用编码器、伺服电机专用型编码器等等，可以说编码器无处不在。

从步进电机到智能系统，编码器究竟如何选择?

那到底什么是编码器呢?

按照定义来看，编码器是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。

简单理解就是，将人类不能直接理解的信号转换成我们人类能够直接理解的信号，以便于我们对设备或器件进行支配。

编码器根据刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对值、混合式。

增量式和绝对式较为常见，但区别二者成为了困扰广大用户的难题。

因此，在这里只将增量式和绝对式做一个对比，让用户在将来选择时，能做出一个更好的选择。

首先，两者的工作原理各不相同：

1、增量式编码器的工作原理：

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

拿倒水来形容，增量式编码器好比，找一个不知道大小的杯子然后往里面倒水，当倒满一次，就把杯子清空一次，然后再倒水，最后根据倒满杯子的次数来计算距离。

从构造上来看，增量式编码器由连接轴、码盘、光源和输出电路等构成。其实，编码器基本上都是这个构成，下面就不再重复了。

增量式编码器由光电发射器件和接收器件获得四组正弦波信号，分别组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差，四组相差360度(即一个周波)。将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，从而起到增强稳定信号的作用;另外，每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

由于A、B两相前后相差90度，故可通过比较A、B两相哪个在前来判别编码器的正转与反转。

通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。通过零位参考位和脉冲数量来计算距离和角度等参量。

2、绝对式编码器的工作原理

绝对式编码器的码盘上有许多道刻线，用以编排编码器上的每一个位置。由于每一个位置都不一样，所以想知道位移大小，只要知道起始位置和终止位置就可以了，不用像增量式编码器一样需要一直计数。

还是拿倒水来举例，绝对式编码器好比，找一个有刻度的、更高的杯子，往里面倒水，最后根据起始和终止的刻度来计算距离。

从结构上来看，绝对式编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排，这样，在编码器的任意一个位置，都可以通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的二进制编码(格雷码)，这也就是n位绝对编码器。

这样的编码器是由光电码盘的机械位置(起、止位置)决定的，因而不会受到停电、外界干扰的影响，这也是绝对式编码器的优良特性之一。

由于这一特性，绝对式编码器无需记忆，无需找零参考点，而且还不用一直计数，因此，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

基于绝对式编码器的构造，它一定会面临着一个问题：计数计到最大值。

为了解决这个问题，从而出现了多圈绝对式编码器。

针对多圈绝对式编码器，常见的有以下三种设计方案：

第一种，在编码器内部，用机械齿轮耦合多个轴，用来计算总的圈数。

拿倒水举例子，也就是之前提到的那个有刻度的杯子，当这个杯子倒满了时，再找一个有刻度的、更大的杯子，把小杯子里的水倒进大杯子里，最后大小杯子相加计算距离。

第二种，就是用电子计数器和电容器，来计算总共转过的圈数。

从步进电机到智能系统，编码器究竟如何选择?

还是拿倒水举例子，这一次当有刻度的杯子倒满了时，把水倒出来，同时使用计数器来计量倒满的次数，最后通过计数器和杯子相加来计算距离。

第三种，在一些磁编码器中，采用韦根金线，并利用韦根效应来计数。

以上的三种方法都需要付出一定的代价，比如说第一种，因为用到了机械齿轮，所以会给编码器带来磨损，使得精度降低。

至于构成多圈绝对值编码器的方案，在这里不多过描述，感兴趣的朋友可以去查阅相关资料。

两者因为工作原理和机械构成不同，产生了两个非常大的区别：

1、通断电记忆不同

增量式编码器没有记忆，断电重启必须回到参考零位，才能找到需要的位置，每次通断电都要重新开始。

最常见的增量式编码器就是打印机扫描仪的定位，每次打印机开机时，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，其实这是打印机在寻找参考零点，在这之后才能工作。

而绝对式编码器有记忆，断电重启不用回到零位，即可知道目标所在的位置。这使得绝对式编码器不会在过程中受到干扰，其抗干扰特性、数据的可靠性大大提高。

2、码盘不同

由于两者的计数方式不相同，因此两者的码盘也相差极大。

码盘的不同，是绝对式编码器和增量式编码器的最大区别之一。

除以上区别外，绝对式编码器和增量式编码器还有很多细小的区别：

3、输出信号不同

增量式编码器输出的是脉冲信号，而绝对式编码器输出的是一组二进制的数值。

4、计数量受限不同

增量式编码器的转数不受限制，而绝对式编码器不能超过转数的量程。

5、应用领域不完全相同

有无断点记忆使得增量式编码器和绝对式编码器在应用领域上有很大的不同，增量式编码器更适合用于确定速度，距离或运动方向，而绝对式编码器由于其特性在工控定位领域应用越来越广泛。

6、价格不一样

由于绝对式编码器的优良特质，在价格上比增量式编码器要高出一些。

有了二者的区别，我们再来看看要选择编码器的时候，需要注意哪些要素：

是否需要断电保持

如果是需要持续性检查的场合就必须使用绝对式编码器。

需要的测量精度

相对而言，绝对式编码器的精度比增量式编码器的精度会更高一些。

分辨率

编码器的分辨率，即电机转子轴旋转一圈时编码器输出的脉冲个数。分辨率的高低是影响测速效果最为关键的因素之一。

需要的最大速度

编码器的测速方法分为三类：T法、N法和M/T法。

一般来讲，T法在低速区测速效果最好，M法在高速区优于T法。M/T法虽然实现的方法比M和T法都要高很多，但在大多数情况下，其测速精度也有优于另外两种。

需要的码盘材质

编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料。

从步进电机到智能系统，编码器究竟如何选择?

玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高。

金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度可能会受到影响，其热稳定性也要比玻璃的差很多。

塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

► 应用场合与需求

首要之务是明确编码器的具体应用场合及需求。由于不同应用领域对编码器的要求各有差异，因此明确这些需求至关重要。例如，在步进电机的操控中，编码器可能被用于提供精准的位置反馈，从而确保精确操控的实现。而在智能系统中，编码器则可能被用于测量并记录设备的运动状态，旨在优化系统的整体性能。

02编码器类型编码器，这一用于测量和记录设备运动状态的精密仪器，根据其刻度方法和信号输出方式，可分为增量式、绝对值和混合式三种类型。增量式编码器通过将位移转化为周期性电信号，再进一步转换为计数脉冲，以脉冲数量来反映位移大小，非常适合于测量相对位移和速度控制等应用。而绝对值编码器则通过读取刻线的明暗变化，生成一组独一无二的二进制编码，从而精准确定位置，常用于需要精确定位的场合。混合式编码器则巧妙结合了增量式和绝对值的优点，既适用于测量相对位移，又具备精确定位的能力。在选择编码器时，务必根据实际需求来挑选合适的类型。

► 精度与分辨率

编码器的精度和分辨率是其性能的关键衡量标准。精度，常以分辨率来体现，分辨率越高，意味着编码器能更细微地识别位移变化。在选择过程中，需依据具体的工艺需求来定夺分辨率。例如，在那些对精度要求极高的测量场景中，可能就需要选用分辨率精细至微米级的编码器。

03工作环境影响编码器的工作环境对其性能和使用寿命具有显著影响。不同的工业环境中可能存在温度、湿度、振动、灰尘等多种潜在风险因素。因此，在选择编码器时，必须综合考虑这些环境因素对其性能可能产生的影响。例如，在高温或潮湿的工作环境中，应优先选择具备相应防护等级的编码器;而在存在显著振动的场所，则应挑选那些耐振动性能更强的编码器，以确保其能够稳定、可靠地工作。

► 输出信号类型

编码器的输出信号类型多种多样，如脉冲信号、模拟信号及数字信号等，每一种都各有适用范围。在挑选编码器时，务必关注其输出信号是否与您的控制系统相契合。有些控制系统可能仅能兼容某种特定信号，因此，确保编码器的输出信号能与控制系统顺畅连接至关重要。

► 安装方式与空间考量

编码器的安装方式对其性能产生显著影响。常见的安装方式包括轴联接和法兰连接等。在挑选过程中，需依据设备的实际结构及可用空间来做出明智的选择。此外，编码器的尺寸和重量也是不可忽视的因素，它们将直接影响编码器的安装和维护的便捷性。

04知名品牌与供应商市场上编码器品牌众多，但品质与技术支持却大相径庭。挑选知名品牌，往往能确保产品的高品质与周到的售后保障。优质的供应商更能提供迅速的技术支持和维修服务，从而保障编码器的持续稳定运行。

► 权衡性价比

在确保编码器具备优良质量和性能的前提下，我们还需要综合考虑其性价比。由于市场上不同品牌和型号的编码器在价格上可能存在显著差异，因此，在做出选择时，必须全面衡量价格、性能以及售后服务等多个方面，以便选出最符合自身需求的编码器产品。

在自动化控制系统中，步进电机和编码器是不可或缺的组件。步进电机能够实现精确的角度转动，而编码器则用于反馈位置信息。那么，如何合理地选取步进电机和编码器呢?

一、编码器类型选择：增量式与绝对式的权衡

步进电机搭配编码器时，首先需明确编码器类型。增量式编码器(如1000线/转)成本较低，适合短距离重复定位场景，但断电后需重新校准;绝对式编码器(如17位单圈分辨率)可直接读取位置信息，适用于高精度或安全关键型应用(如医疗设备)，但价格较高。根据行业数据(来源：IEEE《电机控制技术手册》)，工业自动化领域80%的中低精度场景选择增量式编码器，而半导体设备等高端应用则倾向绝对式。

二、关键参数匹配：分辨率与电机步距角

编码器分辨率需与步进电机步距角协同设计。例如：

- 1.8°步距角电机(200步/转)：建议搭配1000-5000 PPR(脉冲每转)的编码器，可实现±0.036°的理论精度(计算公式：步距角÷编码器细分倍数)。

- 0.9°步距角电机(400步/转)：需选择2000-10000 PPR编码器以发挥高细分优势。

若分辨率不足(如仅500 PPR)，会导致微步控制效果差;过高则可能超出控制器处理能力。

三、安装与接口的工程适配

1. 机械兼容性：

- 轴套式编码器适合空间受限场景(如机器人关节)，但需确保轴径匹配(常见6mm/8mm)。

- 法兰式编码器安装更稳固，适用于振动环境(如CNC机床)。

2. 信号输出协议：

- TTL/HTL差分信号抗干扰强，适合工业现场(传输距离≤20米)。

- SSI或BiSS-C串行协议适合高速闭环系统(波特率可达10MHz)。