編碼器的類型與原理【精制材料】

1、編碼器的原理,一、編碼器的介紹 二、編碼器的分類 三、常用編碼器的工作原理 四、編碼的輸出及接口 五、編碼器的應用及安裝,1,實操應用,編碼器的介紹,編碼器Encoder為傳感器(Sensor)類的一種，主要用來檢測機械運動的速度、位置、角度、 距離或計數(shù)，除了應用在機械外，許多的馬達控制如伺服馬達均需配備編碼器以供馬達控制器作為換相、速度及位置的檢出。,2,實操應用,編碼器,模擬量編碼器,數(shù)字編碼器,旋轉(zhuǎn)變壓器,Sin/Cos 編碼器,增量編碼器,絕對值編碼器,格雷碼,二進制碼,編碼器的分類,3,實操應用,1） 利用光電耦合器掃描安裝在機械軸上的分割成斷的圓盤。 機械代碼被轉(zhuǎn)換為成比例的電氣

2、脈沖信號。,數(shù)字型編碼器原理,4,實操應用,數(shù)字式編碼器的原理,2） 光源（一般為LED）會向接收器（可能 是一個光電二極管）發(fā)出一道狹窄的光束。光源和接收器都被嚴格安裝在旋轉(zhuǎn)連接軸承的靜止部位。編碼器是一個帶有透明開口或小窗的遮光圓盤，被安裝在軸承的轉(zhuǎn)動部位。,5,實操應用,光電式數(shù)字編碼器的原理,軸承轉(zhuǎn)動時，編碼器會讓光束交替通過（透過圓盤上的小窗口）。光電二極管則隨著位置的變化輸出對應的高電平或低電平信號。光電二極管的輸出可以通過專門的電路，轉(zhuǎn)化為位置和速率信息。,6,實操應用,光電式數(shù)字編碼器原理圖,7,實操應用,增量編碼器的輸出,由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光

3、電發(fā)射和接收器件讀取,獲得方波信號組合成A、B，-A -B,信號反向，每組信號相差90度相位差（一個周波位360度） C， 零點校正信號，碼盤旋轉(zhuǎn)一周輸出一個信號,8,實操應用,增量式編碼器的輸出示意圖,9,實操應用,增量式編碼器的連接原理,1 單相連接 用與單方向計數(shù),單向測速 A B兩相連接,用于正反向計數(shù)，用于判斷正反方 向和測速 3 A B C 三相連接用于帶參考位修正的判斷測速 A -A B -B C -C連接，由于帶有對稱的負信 號連接電流對電纜的磁場貢獻為零，衰減最小，抗干擾較強，可以進行長距離輸出,10,實操應用,如何進行正反向判斷,因為A B兩相相差90度，可以通過判斷A相在

4、先還是B相在先，從而判斷正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),11,實操應用,如何進行正反向判斷邏輯圖,12,實操應用,如何進行零位校正,編碼器脈沖在傳輸過程中，可能因為某些原因（如干擾）產(chǎn)生脈沖信號丟失，導致傳輸誤差，此時就需要對其進行及時修正 零位信號 C編碼器每旋轉(zhuǎn)一周發(fā)一個脈沖，稱之為零位脈沖或標識脈沖，零位脈沖用于決定零位置或標識位置。要準確測量零位脈沖，不論旋轉(zhuǎn)方向，零位脈沖均被作為兩個通道的高位組合輸出。由于通道之間的相位差的存在，零位脈沖僅為脈沖長度的一半。,13,實操應用,零點校正示意圖,14,實操應用,增量編碼器的倍頻,物理分割的碼盤因受到工藝及采制的限制,無法做到更細,更精.但是通過數(shù)字電路的轉(zhuǎn)

5、換可以實現(xiàn)更高的脈沖 二倍頻信號 通過A相和B相的”異或”轉(zhuǎn)換獲得,15,實操應用,增量編碼器的倍頻,四備頻信號 計數(shù)器同樣也在通道A和B的每個沿上發(fā)生增加或者減少。計數(shù)器的數(shù)目是增加還是減少，取決于哪個通道引導哪個通道。計數(shù)器的數(shù)目每個周期都會增加4個或減少4個。,16,實操應用,增量式編碼器特點,編碼器每轉(zhuǎn)動一個預先設(shè)定的角度將輸出一個脈沖信號，通過統(tǒng)計脈沖信號的數(shù)量來計算旋轉(zhuǎn)的角度，因此編碼器輸出的位置數(shù)據(jù)是相對的 由于采用固定脈沖信號，因此旋轉(zhuǎn)角度的起始位可以任意設(shè)定 由于采用相對編碼，因此掉電后旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)會丟失需要重新復位,17,實操應用,增量式編碼器問題,1 增量型編碼器存在零點

6、累計誤差 2 抗干擾較差， 3 接收設(shè)備的停機需斷電記憶，開機應找 零或參考位等問題 絕對值編碼器的出現(xiàn)正好解決了這些問題,18,實操應用,絕對值編碼器原理,絕對編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線。編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。,19,實操應用,通過一組光電耦合器掃描旋轉(zhuǎn)盤上的代碼圖案。 每一個位置有其獨一無二的代碼。,絕對值編碼器碼盤,20,實操應用,絕對值編碼器的輸出碼

7、,1 自然二進制 碼 0000 0001 0010 0011 0100 2 循環(huán)二進制碼（格雷碼 ）0000 0001 0011 0010 0110 格雷碼的特點：相鄰的整數(shù)在他的數(shù)字表示中只有一個不同，可避免數(shù)字轉(zhuǎn)換電路中出現(xiàn)很大的峰值電流（如3-4，0011-0100） 二進制-格雷碼 轉(zhuǎn)換格式 ：高位保留 次高位?。ǘM制）高位與次高位的“異或”運算,21,實操應用,十進制與格雷碼的參照,22,實操應用,絕對值編碼器的輸出形式,1 并行輸出模式 多少位（碼道）絕對值編碼器就有多少根信號電纜，每根電纜代表一位數(shù)據(jù)，以電纜輸出電平的高低代表1或0，物理器件與增量值編碼器相似 ，有集電極開路P

8、NP,NPN型,差分驅(qū)動,推挽式，差分高電平有效或低電平有效來針對PNP或NPN的物理器件格式 ,并行輸出一般已格雷碼形式輸出,又稱格雷碼編碼器,23,實操應用,絕對值編碼器的輸出形式,同步串行界面（SSI）輸出：串行輸出就是數(shù)據(jù)集中在一組電纜上傳輸，通過約定，在時間上有先后時序的數(shù)據(jù)輸出，這種約定稱為通訊規(guī)約。 串行輸出連接線少，傳輸距離遠，對于編碼器的保護和可靠性就大大提高了，一般高位數(shù)的絕對編碼器和絕對值多圈編碼器都是用串行輸出的。,24,實操應用,絕對值編碼器的輸出形式,異步串行形式： 指令與數(shù)據(jù)分時間和問答，接口是雙工的。典型的有RS485接口，只需兩個線，傳輸距離遠，數(shù)據(jù)內(nèi)容即可以

9、是編碼器的位置值，也可以是根據(jù)指令要求的其他內(nèi)容，如加上每個編碼器不同的地址，可以多個編碼器共用傳輸電纜和后續(xù)接收，這種形式稱為現(xiàn)場總線型。,25,實操應用,混合式編碼器原理,把增量制碼與絕對制碼同做在一塊碼盤上。在圓盤的最外圈是高密度的增量條紋，中間是絕對值編碼器的二進制格萊碼道，碼盤的轉(zhuǎn)數(shù)由一轉(zhuǎn)脈沖的計數(shù)表示，在一周以內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度用格萊碼的數(shù)值計數(shù) 多圈式絕對值編碼器：在單圈絕對值編碼器的基礎(chǔ)上利用鐘表齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴大編碼器的測量范圍,26,實操應用,正余弦編碼器輸出原理,利用平行光

10、通過光柵時，所產(chǎn)生的莫爾條紋的光強度近似于余弦函數(shù)，在莫爾條紋移動的方向上放置4個1/4莫爾條紋的光敏元件，將會得到4組正余弦輸出信號,27,實操應用,正余弦編碼器輸出形式,28,實操應用,直尺編碼器,直尺編碼器： 通過測量被測物體的直線行程長度并將測量到的行程長度轉(zhuǎn)化為脈沖電信號輸出 原理通俗的講就是將旋轉(zhuǎn)編碼器的碼盤拉成一條直線,29,實操應用,光柵尺編碼器,光柵位移傳感器的工作原理，是由一對光柵副中的主光柵（即標尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進行相對位移時，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間（或明暗相間）的規(guī)則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過光電器件轉(zhuǎn)換使黑白（或明暗）相同的條紋轉(zhuǎn)換成

11、正弦波變化的電信號，再經(jīng)過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90o的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計數(shù)顯示。,30,實操應用,旋轉(zhuǎn)變壓器,旋轉(zhuǎn)變壓器又稱分解器，是一種控制用的微電機，它將機械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號的一種間接測量裝置。,31,實操應用,旋轉(zhuǎn)變壓器的原理,1 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號元件。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦或余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系 2 旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子之間的磁通分布符合正弦規(guī)律，因此當激磁電壓加到定子繞組上時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)

12、生感應電動勢，如圖4-9所示。其輸出電壓的大小取決于轉(zhuǎn)子的角向位置，即隨著轉(zhuǎn)子偏移的角度呈正弦變化。由變壓器原理，設(shè)原邊繞組匝數(shù)為N1，副邊繞組匝數(shù)為N2，k=N1/N2為變壓比，當原邊輸入交變電壓,32,實操應用,旋轉(zhuǎn)變壓器的應用,1. 鑒相工作方式 感應電壓的相位角等于轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)角。因此只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角,33,實操應用,旋轉(zhuǎn)變壓器的應用,鑒幅工作方式 在實際應用中，通過不斷修改激磁調(diào)幅電壓值的電氣角，使之跟蹤機械角的變化，并測量感應電壓幅值即可求得機械角位移。,34,實操應用,編碼器的安裝注意事項,機械方面： 安裝時注意允許的軸負載 應保證編碼器軸與用戶

13、輸出軸的不同軸度0.20mm，與軸線的偏角1.5 安裝時嚴禁敲擊和摔打碰撞，以免損壞軸系和碼盤 長期使用時，定期檢查固定編碼器的螺釘是否松動 （每季度一次）,35,實操應用,編碼器安裝方式,編碼器在擴展軸上,編碼器在實體軸上,絕對編碼器,分解器,臨近傳感器,通用編碼器安裝在擴展軸上,36,實操應用,編碼器的安裝注意事項,電氣方面： 接地線應盡量粗，一般應大于1.5平方 編碼器的輸出線彼此不要搭接，以免損壞輸出電路 編碼器的信號線不要接到直流電源上或交流電流上，以免損壞輸出電路 與編碼器相連的電機等設(shè)備，應接地良好，不要有靜電,37,實操應用,編碼器屏蔽線的安裝,Connect the shield in the Sub D on the enc