从增量式到绝对式 —— 深度理解编码器的原理与选型

在机器人的硬件系统中，编码器的重要性怎么强调都不为过。它像机器人的"眼睛"，时刻感知着关节、轮子的位置与速度。今天我们从基础原理讲起，一步步深入理解增量式与绝对式编码器的区别，并且告诉你在实际工程中该如何选型。

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一、增量式编码器 vs 绝对式编码器

1.1 增量式编码器

工作原理：

• 通过检测码盘上均匀分布的光栅或磁栅变化，输出脉冲信号（A、B两路，通常还有一路Z相零位脉冲）。
• 控制器通过统计脉冲数量，判断转过了多少角度。

特点：

• 初始上电不知道当前位置，需要重新回零（Homming）
• 结构简单，成本低，响应速度快
• 断电丢失位置信息

典型应用：

• 轮式机器人里轮子编码器
• 简易机械臂
• 传送带速度监测

1.2 绝对式编码器

工作原理：

• 码盘上不仅有细分刻度，还有多圈或单圈的唯一编码（如灰码、二进制码）。
• 每一个角度对应一个独特的数字，无需累计脉冲。

特点：

• 上电即知当前真实位置，无需回零
• 可以记录多圈转动信息（带多圈功能）
• 复杂度高，成本相对更贵
• 抗干扰能力强

典型应用：

• 工业机械臂的每个关节
• 高精度数控机床
• 医疗机器人、协作机器人

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二、如何理解编码器的参数？

2.1 什么是17 bit绝对式编码器？

17 bit 表示编码器在一圈内可以表示 (2^{17} = 131072) 个不同的位置。

• 每个位置对应的角度分辨率是：

$$\text{角度分辨率}=\frac{360^{\circ }}{131072}\approx 0.00275^{\circ }$$

直观理解：

• 旋转一圈360度，被切成131072份，非常细腻。
• 也就是说，它可以检测到关节转动0.00275°这样微小的变化。

2.2 什么是10000 ppr的增量式编码器？

10000 ppr （Pulse Per Revolution）表示编码器转一圈输出10000个脉冲。

• 每个脉冲对应的角度是：

$$\text{角度分辨率}=\frac{360^{\circ }}{10000}=0.036^{\circ }$$

直观理解：

• 精度远低于17bit绝对式编码器。
• 但对于很多要求不那么高的场景（如轮子测速度），10000ppr已经很够用了。

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三、增量式和绝对式的详细对比表

项目	增量式编码器	绝对式编码器
断电	需要重新回零	断电后仍记得位置
成本	便宜	贵一些
安装复杂度	低	高（尤其是多圈型）
抗干扰性	中等	很强
适用场景	速度测量、简易定位	高精度控制、断电保护场景

简单总结：

• 追求性价比、允许断电归零：选增量式
• 追求极致精度、要求上电即用、断电安全：选绝对式

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四、编码器在控制系统中的作用

4.1 闭环控制三大环节

• 位置环：通过编码器检测目标位置与实际位置的误差，调整命令。
• 速度环：通过编码器推导速度，动态控制运动快慢。
• 力矩环：间接辅助，通过电流检测主控力矩输出。

案例示意：

机械臂收到控制器指令，目标是转到30°。

编码器实时测得当前是28°，于是控制器增加指令电流，加速转动。

当转到29.8°时减速，30.0°时精准停下。

如果编码器分辨率低（比如PPR太小），那么测得的位置会有"抖动"，直接影响机器人的运动流畅度和精度。

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五、实际选型建议

1. 轮式机器人底盘轮子
   • 增量式编码器，1000~5000 ppr 就够用
2. 小型协作机械臂
   • 单圈17bit以上绝对式编码器，最好配多圈功能
3. 工业六轴机器人
   • 高精度绝对式编码器，18~20bit，多圈记录，支持实时掉电记忆
4. 高速旋转设备
   • 高频率、高PPR增量式编码器，注意选带Z相脉冲用于零位校准

小提示：编码器选型也要配合驱动器的输入能力，比如是否支持SSI、BiSS、ABZ脉冲等接口。

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总结

编码器不是单独工作的，它是机器人控制系统中的一环，和电机、驱动器一起，构成了精准、流畅、稳定运动的基础。理解增量式和绝对式编码器的区别，掌握如何根据具体需求做出选型，才能真正做到硬件与算法完美结合。

下一步，可以继续深入到编码器通讯协议、多圈编码器内部机理、甚至基于编码器的高阶控制策略，让我们的机器人成为真正的精密运动高手！