从 A/B/Z 到关节电机：编码器与常用传感器入门笔记

最近梳理了一下编码器和机器人关节电机的传感器问题，从最基础的增量式 A/B/Z，一路聊到绝对式编码器、关节电机选型，以及其他常见传感器。这里整理成一篇博客，方便以后查阅。

一、增量式编码器：A、B、Z 到底是什么？

最常见的增量式编码器输出三路信号：

信号 含义 作用
A 相 正交脉冲 A 与 B 相配合测转速、计数、判方向
B 相 正交脉冲 B 与 A 相相差约 90°
Z 相 零位/参考脉冲 每转输出 1 个脉冲，用于回零、找机械原点

A、B 两相相差 90°，叫正交编码。正转时 A 超前 B，反转时 B 超前 A。PLC 或单片机通过判断相位关系，就能知道电机是正转还是反转。

如果只有 A 相，计数器只知道“来了脉冲”，不知道方向，位置就会错。所以测方向、做位置控制，必须接 A、B。Z 相则用来回零或校正累计误差。

A/B 还可以四倍频：A 上升沿、B 上升沿、A 下降沿、B 下降沿都计数。标称 1000 线的编码器，四倍频后就是 4000 计数/转，分辨率更高。

二、编码器接线大概什么样？

编码器出线没有统一颜色，不同品牌必须看标签或说明书。但常见形式有：

1. 单端输出

常见 5 根线：

· Vcc：电源正，5V/12V/24V 看型号
· 0V/GND：电源负
· A：A 相脉冲
· B：B 相脉冲
· Z：零位脉冲
· 屏蔽：屏蔽地

2. 差分输出

常见 8 根线：

· Vcc、0V
· A+、A-
· B+、B-
· Z+、Z-
· 屏蔽

差分输出抗干扰强，长距离和伺服电机编码器常用。

接线要注意：

· 电源不能接错，5V 编码器接 24V 会烧
· 确认输出类型：NPN、PNP、推挽、差分
· NPN 集电极开路通常需要上拉电阻
· A、B 接高速计数口，Z 接中断或复位口
· 屏蔽线单端接地

三、相对式与绝对式编码器

相对编码器一般就是增量式编码器，输出 A/B/Z 脉冲。它的问题是：断电后位置丢失，上电一般要回零。

绝对式编码器则完全不同：上电就知道当前位置，断电不丢。它输出的不是简单脉冲，而是位置数据，常见形式有：

· SSI：时钟 + 数据
· BiSS-C、EnDat：高精度绝对编码器常用
· CANopen、EtherCAT、PROFINET：总线型
· 并行格雷码：老式，线多
· 有些绝对编码器也额外输出 A/B/Z，但定位不靠它，只用于测速或兼容旧系统

绝对式还分单圈和多圈：

· 单圈绝对：一圈内位置唯一，超过一圈不知道第几圈
· 多圈绝对：连圈数也记录，断电不丢，常靠电池或机械结构保持

一句话区别：

· 增量式：告诉你“走了多少步”，上电不知道在哪
· 绝对式：直接告诉你“门牌号是多少”，上电就知道在哪

四、关节电机用哪种编码器？

机器人关节电机，尤其是工业机器人、协作机器人、人形机器人，基本都用多圈绝对式编码器，而且很多是双编码器配置。

位置 作用 常见类型
电机端 测电角度、速度、换向 单圈绝对 / 增量 / 磁编
输出端 测关节实际角度 多圈绝对
输出端 补偿减速机背隙 多圈绝对

电机端编码器给驱动器做 FOC 换向，输出端编码器给关节位置环。常见协议有多摩川、BiSS-C、SSI、EnDat、CANopen、EtherCAT。

为什么不用普通 A/B/Z？因为关节电机要求上电即知角度、断电不丢位置、安全可靠，增量式需要回零，容易撞机。

低成本 DIY 关节可以用 AS5600、AS5047、TLE5012 这类单圈磁编码器，但专业关节还是多圈绝对加总线或串行接口。

五、除了编码器，还有哪些传感器？

在关节电机和机器人里，编码器只是其中一类。常见传感器还有：

传感器 测什么 作用
霍尔传感器 磁场/转子位置 无刷电机换向、限位、零位
电流传感器 相电流 FOC 控制、力矩控制、过流保护
温度传感器 温度 监测绕组、MOS/IGBT，常用 NTC
旋转变压器 角度 耐高温、抗振，输出 sin/cos
力矩传感器 力矩/应变 关节力矩控制、碰撞检测
六维力/力矩传感器 力 + 力矩 手腕、脚踝
IMU 加速度、角速度、姿态 机器人平衡、姿态估计
限位/原点开关 位置 光电、霍尔、机械微动
视觉传感器 图像/深度 相机、深度相机、激光雷达
触觉/压力传感器 接触力/压力 电子皮肤、夹爪抓取
安全传感器 急停/障碍 安全光幕、安全雷达

按功能分：

· 位置/速度：编码器、旋变、霍尔、测速发电机
· 电流/电压：电流传感器、电压检测
· 力/力矩/压力：应变片、力矩传感器、六维力
· 温度：NTC、热电偶、红外测温
· 惯性/姿态：IMU、倾角仪、陀螺仪
· 限位/接近：限位开关、接近开关、光电开关
· 环境/感知：视觉、激光雷达、超声波、触觉
· 安全：急停、安全光幕、安全雷达

六、总结

编码器分增量式和绝对式。增量式输出 A/B/Z 脉冲，靠计数测位置和方向，断电丢位置，要回零。绝对式直接输出位置数据，上电即知位置，断电不丢。

关节电机主流用多圈绝对式编码器，常见双编码器配置，接口多为多摩川、BiSS-C、SSI、EnDat、CANopen、EtherCAT。

除了编码器，关节和机器人还会用到霍尔、电流、温度、旋变、力矩、六维力、IMU、限位、视觉、触觉和安全传感器。

选型时记住：

· 只测速、允许回零：增量式 A/B/Z
· 要断电不丢、上电即用：绝对式
· 工业/协作/人形关节：多圈绝对 + 双编码器 + 总线/串行
· 教学/DIY：单圈磁编或增量式也能凑合

希望这篇笔记能帮你在编码器和传感器选型时少走弯路。