編碼器的工作原理簡(jiǎn)介

1、編碼器的工作原理簡(jiǎn)介絕對(duì)脈沖編碼器 :APC增量脈沖編碼器 :SPC兩者一般都應(yīng)用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測(cè)元件 .旋轉(zhuǎn)編碼器是用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝置。 它分為單路輸出和雙路輸出兩種。 技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn) 脈沖數(shù) (幾十個(gè)到幾千個(gè)都有 ,和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈 沖,而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差 90度的脈沖,通過(guò)這兩組脈沖不僅可以測(cè)量 轉(zhuǎn)速,還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。增量型編碼器與絕對(duì)型編碼器的區(qū)分編碼器如以信號(hào)原理來(lái)分,有增量型編碼器 , 絕對(duì)型編碼器。增量型編碼器 (旋轉(zhuǎn)型 工作原理 :由一個(gè)中心有軸的光電碼盤(pán),其上有環(huán)形通、暗的刻線,有光電發(fā)射和接收器件讀

2、取 , 獲得 四組正弦波信號(hào)組合成 A 、 B 、 C 、 D, 每個(gè)正弦波相差 90度相位差(相對(duì)于一個(gè)周波為 360度,將 C 、 D 信號(hào)反向,疊加在 A 、 B 兩相上,可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào);另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè) Z 相脈沖 以代表零位參考位。由于 A 、 B 兩相相差 90度, 可通過(guò)比較 A 相在前還是 B 相在前, 以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn), 通過(guò)零位脈沖,可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤(pán)的材料有玻璃、金屬、塑料,玻璃碼盤(pán)是在玻璃上沉積很薄的刻線,其熱穩(wěn)定性 好,精度高,金屬碼盤(pán)直接以通和不通刻線,不易碎,但由于金屬有一定的厚度,精度就有 限制,其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí),塑料碼

3、盤(pán)是經(jīng)濟(jì)型的,其成本低,但精度、 熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。分辨率編碼器以每旋轉(zhuǎn) 360度提供多少的通或暗刻線稱(chēng)為分辨率, 也稱(chēng)解析分度、 或直接 稱(chēng)多少線,一般在每轉(zhuǎn)分度 510000線。信號(hào)輸出 :信號(hào)輸出有正弦波(電流或電壓 , 方波(TTL 、 HTL , 集電極開(kāi)路(PNP 、 NPN , 推拉式多 種形式,其中 TTL 為長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)(對(duì)稱(chēng) A,A-;B,B-;Z,Z- ,HTL 也稱(chēng)推拉式、 推挽式輸出, 編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。信號(hào)連接編碼器的脈沖信號(hào)一般連接計(jì)數(shù)器、 PLC 、計(jì)算機(jī), PLC 和計(jì)算機(jī)連接的模塊有 低速模塊與高速模塊之分,開(kāi)關(guān)頻率有低有高。如

4、單相聯(lián)接,用于單方向計(jì)數(shù),單方向測(cè)速。A.B 兩相聯(lián)接,用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。A 、 B 、 Z 三相聯(lián)接,用于帶參考位修正的位置測(cè)量。A 、 A-, B 、 B-, Z 、 Z-連接,由于帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)的連接,電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為 0, 衰減最小,抗干擾最佳,可傳輸較遠(yuǎn)的距離。對(duì)于 TTL 的帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)輸出的編碼器,信號(hào)傳輸距離可達(dá) 150米。對(duì)于 HTL 的帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)輸出的編碼器,信號(hào)傳輸距離可達(dá) 300米編碼器的工作原理介紹一、光電編碼器的工作原理光電編碼器, 是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的 傳感器。 這是目前應(yīng)用最多的傳感器,

5、 光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。 光柵盤(pán) 是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。 由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸, 電動(dòng)機(jī)旋 轉(zhuǎn)時(shí), 光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn), 經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈 沖信號(hào), 其原理示意圖如圖 1所示; 通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外,為判斷旋轉(zhuǎn)方向,碼盤(pán)還可提供相位相差 90o 的兩路脈沖信號(hào)。根據(jù)檢測(cè)原理, 編碼器可分為光學(xué)式、磁式、 感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào) 輸出形式,可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。(一增量式編碼器增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖 A 、 B

6、 和 Z 相; A 、 B 兩組脈沖相位 差 90o ,從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向,而 Z 相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖,用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu) 點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單, 機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上,抗干擾能力強(qiáng), 可靠性高, 適合于長(zhǎng) 距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。(二絕對(duì)式編碼器絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器, 在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道, 每條道 上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成, 相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系, 碼盤(pán)上的碼道數(shù)就 是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù), 在碼盤(pán)的一側(cè)是光源, 另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件; 當(dāng)碼 盤(pán)處于不同位置時(shí), 各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)

7、的電平信號(hào), 形成二進(jìn)制數(shù)。 這 種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器, 在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字 碼。顯然,碼道越多,分辨率就越高,對(duì)于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器,其碼盤(pán) 必須有 N 條碼道。目前國(guó)內(nèi)已有 16位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。絕對(duì)式編碼器是利用自然二進(jìn)制 或循環(huán)二進(jìn)制 (葛萊碼 方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。 絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器不同之處在于 圓盤(pán)上透光、不透光的線條圖形,絕對(duì)編碼器可有若干編碼, 根據(jù)讀出碼盤(pán)上的編碼, 檢測(cè) 絕對(duì)位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是:1.可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值;2.沒(méi)有累積誤差;3.電源切除后位置

8、信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的,也就是說(shuō)精度 取決于位數(shù),目前有 10位、 14位等多種。(三混合式絕對(duì)值編碼器混合式絕對(duì)值編碼器, 它輸出兩組信息:一組信息用于檢測(cè)磁極位置, 帶有絕對(duì)信息功 能; 另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。 光電編碼器是一種角度 (角速度 檢測(cè)裝置, 它將輸入給軸的角度量,利用光電轉(zhuǎn)換原理 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量,具有體積小, 精度高,工作可靠 , 接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器 人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。二、光電編碼器的應(yīng)用電路(一 EPC -755A 光電編碼器的應(yīng)用EPC -7

9、55A 光電編碼器具備良好的使用性能, 在角度測(cè)量、 位移測(cè)量時(shí)抗干擾能力很強(qiáng), 并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號(hào),且該脈沖信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被測(cè)量的數(shù)字信號(hào)。因此, 我們?cè)谘兄破?chē)駕駛模擬器時(shí), 對(duì)方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量選用 EPC -755A 光電編碼器作為傳 感器,其輸出電路選用集電極開(kāi)路型,輸出分辨率選用 360個(gè)脈沖 /圈,考慮到汽車(chē)方向盤(pán) 轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的, 既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn), 也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 需要對(duì)編碼器的輸出信號(hào)鑒相后才能計(jì) 數(shù)。圖 2給出了光電編碼器實(shí)際使用的鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路,鑒相電路用 1個(gè) D 觸發(fā)器和 2個(gè)與非門(mén)組成, 計(jì)數(shù)電路用 3片 74LS193組成, 當(dāng)光電編碼器順時(shí)針

10、旋轉(zhuǎn)時(shí), 通道 A 輸出波 形超前通道 B 輸出波形 90°, D 觸發(fā)器輸出 Q (波形 W1 為高電平, Q (波形 W2為低電平, 上面與非門(mén)打開(kāi),計(jì)數(shù)脈沖通過(guò) (波形 W3,送至雙向計(jì)數(shù)器 74LS193的加脈沖輸入端 CU , 進(jìn)行加法計(jì)數(shù);此時(shí),下面與非門(mén)關(guān)閉,其輸出為高電平(波形 W4。當(dāng)光電編碼器逆時(shí) 針旋轉(zhuǎn)時(shí), 通道 A 輸出波形比通道 B 輸出波形延遲 90°, D 觸發(fā)器輸出 Q (波形 W1 為低電 平, Q (波形 W2為高電平,上面與非門(mén)關(guān)閉,其輸出為高電平(波形 W3;此時(shí),下面與 非門(mén)打開(kāi),計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)(波形 W4,送至雙向計(jì)數(shù)器 74LS1

11、93的減脈沖輸入端 CD ,進(jìn)行 減法計(jì)數(shù)。 汽車(chē)方向盤(pán)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí), 其最大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半, 選用分辨率為 360個(gè)脈沖 /圈的編碼器, 其最大輸出脈沖數(shù)為 900個(gè); 實(shí)際使用的計(jì)數(shù)電路用 3片 74LS193組成,在系統(tǒng)上電初始化時(shí), 先對(duì)其進(jìn)行復(fù)位(CLR 信號(hào), 再將其初值設(shè)為 800H , 即 2048 (LD 信號(hào);如此,當(dāng)方向盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為 20482948,當(dāng)方向 盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為 20481148;計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出 D0D11送至 數(shù)據(jù)處理電路。實(shí)際使用時(shí),方向盤(pán)頻繁地進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),由于存在量化誤差, 工作較

12、長(zhǎng)一段時(shí)間后,方向盤(pán)回中時(shí)計(jì)數(shù)電路輸出可能不是 2048,而是有幾個(gè)字的偏差; 為解決這一問(wèn)題, 我們?cè)黾恿艘粋€(gè)方向盤(pán)回中檢測(cè)電路, 系統(tǒng)工作后, 數(shù)據(jù)處理電路在模擬 器處于非操作狀態(tài)時(shí), 系統(tǒng)檢測(cè)回中檢測(cè)電路, 若方向盤(pán)處于回中狀態(tài), 而計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù) 輸出不是 2048,可對(duì)計(jì)數(shù)電路進(jìn)行復(fù)位,并重新設(shè)置初值。(二光電編碼器在重力測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器, 把它的轉(zhuǎn)軸與重力測(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕軸相連。 重力測(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋 鈕的角位移量轉(zhuǎn)化為某種電信號(hào)量;旋轉(zhuǎn)式光電編碼器分兩種,絕對(duì)編碼器和增量編碼器。 增量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器,其碼盤(pán)比絕對(duì)編碼器碼盤(pán)要簡(jiǎn)單得多且分辨率更 高

13、。一般只需要三條碼道,這里的碼道實(shí)際上已不具有絕對(duì)編碼器碼道的意義,而是產(chǎn)生 計(jì)數(shù)脈沖。 它的碼盤(pán)的外道和中間道有數(shù)目相同均勻分布的透光和不透光的扇形區(qū) (光柵 , 但是兩道扇區(qū)相互錯(cuò)開(kāi)半個(gè)區(qū)。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),它的輸出信號(hào)是相位差為 90°的 A 相和 B 相脈沖 信號(hào)以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號(hào) (它作為碼盤(pán)的基準(zhǔn)位置,給計(jì)數(shù)系統(tǒng)提供一個(gè)初始的零位信號(hào)。從 A , B 兩個(gè)輸出信號(hào)的相位關(guān)系(超前或滯后 可判斷旋轉(zhuǎn)的方向。當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí), A 道脈沖波形比 B 道超前 /2,而反轉(zhuǎn)時(shí) , A道脈沖 比 B 道滯后 /2。是一實(shí)際電路,用 A 道整形波的下沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)

14、產(chǎn)生的正脈沖與 B 道整 形波相與,當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)只有正向口脈沖輸出,反之,只有逆向口脈沖輸出。因此,增 量編碼器是根據(jù)輸出脈沖源和脈沖計(jì)數(shù)來(lái)確定碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和相對(duì)角位移量。 通常, 若編 碼器有 N 個(gè)(碼道輸出信號(hào),其相位差為 / N,可計(jì)數(shù)脈沖為 2N 倍光柵數(shù),現(xiàn)在 N=2。 電路的缺點(diǎn)是有時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤記脈沖造成誤差, 這種情況出現(xiàn)在當(dāng)某一道信號(hào)處于“高”或 “低”電平狀態(tài),而另一道信號(hào)正處于“高”和 “低”之間的往返變化狀態(tài),此時(shí)碼盤(pán)雖 然未產(chǎn)生位移, 但是會(huì)產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。例如,碼盤(pán)發(fā)生抖動(dòng)或手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)位置時(shí) (下 面可以看到, 在重力儀測(cè)量時(shí)就會(huì)有這種情況 。 是一個(gè)既能防止誤

15、脈沖又能提高分辨率的 四倍頻細(xì)分電路。 在這里, 采用了有記憶功能的 D 型觸發(fā)器和時(shí)鐘發(fā)生電路。 每一道有兩個(gè) D 觸發(fā)器串接,這樣,在時(shí)鐘脈 沖的間隔中,兩個(gè) Q 端(如對(duì)應(yīng) B 道的 74LS175的第 2、 7引腳保持前兩個(gè)時(shí)鐘期的輸入 狀態(tài),若兩者相同,則表示時(shí)鐘間隔中無(wú)變化;否則,可 以根據(jù)兩者關(guān)系判斷出它的變化方 向,從而產(chǎn)生正向或反向輸出脈沖。當(dāng)某道由 于振動(dòng)在高、 低間往復(fù)變化 時(shí), 將交替產(chǎn)生正向和反向脈沖, 這在對(duì)兩 個(gè)計(jì)數(shù)器取代數(shù)和時(shí)就可消除它們的影響 (下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點(diǎn) 。由此可見(jiàn),時(shí) 鐘發(fā)生器的頻率應(yīng)大于振動(dòng)頻率的可能 最大值。由圖 4還可看出,在原一個(gè)脈

16、沖信號(hào)的周 期內(nèi),得到了四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。例如,原每圈脈沖數(shù)為 1000的編碼器可產(chǎn)生 4倍頻的脈沖數(shù) 是 4000個(gè),其分辨率為 0.09°。實(shí)際上 ,目前這類(lèi)傳感器產(chǎn)品都將光敏元件輸出信號(hào)的 放大整形等電路與傳感檢測(cè)元件封裝在一起, 所以只要加上細(xì)分與計(jì)數(shù)電路就可以組成一個(gè) 角位移測(cè)量系統(tǒng)(74159是 4-16譯碼器。三、應(yīng)用中問(wèn)題分析及改進(jìn)措施(一應(yīng)用中問(wèn)題分析光電檢測(cè)裝置的發(fā)射和接收裝置都安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng), 在使用中暴露出許多缺陷, 其有內(nèi)在因 素也有外在因素,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1.發(fā)射裝置或接受裝置因機(jī)械震動(dòng)等原因而 引起的移位或偏移, 導(dǎo)致接收裝置不能可靠的接收到光信號(hào)

17、, 而不能產(chǎn)生電信號(hào)。 例如;光 電編碼器應(yīng)用在軋鋼調(diào)速系統(tǒng)中, 因光電編碼器是直接用螺栓固定在電動(dòng)機(jī)的外殼上, 光電 編碼器的軸通過(guò)較硬的彈簧片和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接, 因電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載是沖擊性負(fù)載, 當(dāng)軋 機(jī)過(guò)鋼時(shí)會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸和外殼的振動(dòng)。 經(jīng)測(cè)定; 過(guò)鋼時(shí)光電編碼器振動(dòng)速度為 2.6mm/s, 這樣的振動(dòng)速度會(huì)損壞光電編碼器的內(nèi)部功能。 造成誤發(fā)脈沖, 從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或 誤動(dòng)作,導(dǎo)致事故發(fā)生。2.因光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),受生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素影響導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置不能可靠 的工作。如安裝部位溫度高、濕度大,導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置內(nèi)部的電子元件特性改變或損壞。 例如在連鑄機(jī)送引錠跟蹤系統(tǒng)

18、, 由于光電檢測(cè)裝置安裝的位置靠近鑄坯, 環(huán)境溫度高而導(dǎo)致 光電檢測(cè)裝置誤發(fā)出信號(hào)或損壞,而引發(fā)生產(chǎn)或人身事故。3.生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾源,對(duì)光電檢測(cè)裝置產(chǎn)生的干擾,導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置輸出波形 發(fā)生畸變失真, 使系統(tǒng)誤動(dòng)或引發(fā)生產(chǎn)事故。 例如;光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)設(shè)備本體,其 信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至控制系統(tǒng)的距離一般在 20m 100m , 傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電 纜, 但由于電纜的導(dǎo)線電阻及線間電容的影響再加上和其他電纜同在一起敷設(shè), 極易受到各種電磁干擾的影響, 因此引起波形失真, 從而使反饋到調(diào)速系統(tǒng)的信號(hào)與實(shí)際值的偏差, 而 導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。(二改進(jìn)措施1.改變光電編碼器的安裝方式。光電編碼器不在安裝在電動(dòng)機(jī)外殼上,而是在電動(dòng)機(jī)的基 礎(chǔ)上制作一固定支架來(lái)獨(dú)立安裝光電編碼器, 光電編碼器軸與電動(dòng)機(jī)軸中心必須處于同一水 平高度, 兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接, 以減輕電動(dòng)機(jī)沖擊負(fù)載對(duì)光電編碼器的機(jī)械沖 擊。采用此方式后經(jīng)測(cè)振儀檢測(cè),其振動(dòng)速度降至 1.2mm/s。2.合理選擇光電檢測(cè)裝置輸出信號(hào)傳輸介質(zhì),采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞