编码器的工作原理简介

1、编码器的工作原理简介绝对脉冲编码器 :APC增量脉冲编码器 :SPC两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件 .旋转编码器是用来测量转速的装置。 它分为单路输出和双路输出两种。 技术参数主要有每转 脉冲数 (几十个到几千个都有 ,和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉 冲,而双路输出的旋转编码器输出两组相位差 90度的脉冲,通过这两组脉冲不仅可以测量 转速,还可以判断旋转的方向。增量型编码器与绝对型编码器的区分编码器如以信号原理来分,有增量型编码器 , 绝对型编码器。增量型编码器 (旋转型 工作原理 :由一个中心有轴的光电码盘,其上有环形通、暗的刻线,有光电发射和接收器件读

2、取 , 获得 四组正弦波信号组合成 A 、 B 、 C 、 D, 每个正弦波相差 90度相位差(相对于一个周波为 360度,将 C 、 D 信号反向,叠加在 A 、 B 两相上,可增强稳定信号;另每转输出一个 Z 相脉冲 以代表零位参考位。由于 A 、 B 两相相差 90度, 可通过比较 A 相在前还是 B 相在前, 以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。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料,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,精度就有 限制,其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级,塑料码

3、盘是经济型的,其成本低,但精度、 热稳定性、寿命均要差一些。分辨率编码器以每旋转 360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率, 也称解析分度、 或直接 称多少线,一般在每转分度 510000线。信号输出 :信号输出有正弦波(电流或电压 , 方波(TTL 、 HTL , 集电极开路(PNP 、 NPN , 推拉式多 种形式,其中 TTL 为长线差分驱动(对称 A,A-;B,B-;Z,Z- ,HTL 也称推拉式、 推挽式输出, 编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。信号连接编码器的脉冲信号一般连接计数器、 PLC 、计算机, PLC 和计算机连接的模块有 低速模块与高速模块之分,开关频率有低有高。如

4、单相联接,用于单方向计数,单方向测速。A.B 两相联接,用于正反向计数、判断正反向和测速。A 、 B 、 Z 三相联接,用于带参考位修正的位置测量。A 、 A-, B 、 B-, Z 、 Z-连接,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为 0, 衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离。对于 TTL 的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达 150米。对于 HTL 的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达 300米编码器的工作原理介绍一、光电编码器的工作原理光电编码器, 是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的 传感器。 这是目前应用最多的传感器,

5、 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。 光栅盘 是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。 由于光电码盘与电动机同轴, 电动机旋 转时, 光栅盘与电动机同速旋转, 经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉 冲信号, 其原理示意图如图 1所示; 通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前 电动机的转速。此外,为判断旋转方向,码盘还可提供相位相差 90o 的两路脉冲信号。根据检测原理, 编码器可分为光学式、磁式、 感应式和电容式。根据其刻度方法及信号 输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。(一增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A 、 B

6、 和 Z 相; A 、 B 两组脉冲相位 差 90o ,从而可方便地判断出旋转方向,而 Z 相为每转一个脉冲,用于基准点定位。它的优 点是原理构造简单, 机械平均寿命可在几万小时以上,抗干扰能力强, 可靠性高, 适合于长 距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。(二绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器, 在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道, 每条道 上由透光和不透光的扇形区相间组成, 相邻码道的扇区数目是双倍关系, 码盘上的码道数就 是它的二进制数码的位数, 在码盘的一侧是光源, 另一侧对应每一码道有一光敏元件; 当码 盘处于不同位置时, 各光敏元件根据受光照与否转换出相应

7、的电平信号, 形成二进制数。 这 种编码器的特点是不要计数器, 在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字 码。显然,码道越多,分辨率就越高,对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器,其码盘 必须有 N 条码道。目前国内已有 16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制 或循环二进制 (葛莱码 方式进行光电转换的。 绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于 圆盘上透光、不透光的线条图形,绝对编码器可有若干编码, 根据读出码盘上的编码, 检测 绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是:1.可以直接读出角度坐标的绝对值;2.没有累积误差;3.电源切除后位置

8、信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的,也就是说精度 取决于位数,目前有 10位、 14位等多种。(三混合式绝对值编码器混合式绝对值编码器, 它输出两组信息:一组信息用于检测磁极位置, 带有绝对信息功 能; 另一组则完全同增量式编码器的输出信息。 光电编码器是一种角度 (角速度 检测装置, 它将输入给轴的角度量,利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量,具有体积小, 精度高,工作可靠 , 接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器 人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。二、光电编码器的应用电路(一 EPC -755A 光电编码器的应用EPC -7

9、55A 光电编码器具备良好的使用性能, 在角度测量、 位移测量时抗干扰能力很强, 并具有稳定可靠的输出脉冲信号,且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。因此, 我们在研制汽车驾驶模拟器时, 对方向盘旋转角度的测量选用 EPC -755A 光电编码器作为传 感器,其输出电路选用集电极开路型,输出分辨率选用 360个脉冲 /圈,考虑到汽车方向盘 转动是双向的, 既可顺时针旋转, 也可逆时针旋转, 需要对编码器的输出信号鉴相后才能计 数。图 2给出了光电编码器实际使用的鉴相与双向计数电路,鉴相电路用 1个 D 触发器和 2个与非门组成, 计数电路用 3片 74LS193组成, 当光电编码器顺时针

10、旋转时, 通道 A 输出波 形超前通道 B 输出波形 90°, D 触发器输出 Q (波形 W1 为高电平, Q (波形 W2为低电平, 上面与非门打开,计数脉冲通过 (波形 W3,送至双向计数器 74LS193的加脉冲输入端 CU , 进行加法计数;此时,下面与非门关闭,其输出为高电平(波形 W4。当光电编码器逆时 针旋转时, 通道 A 输出波形比通道 B 输出波形延迟 90°, D 触发器输出 Q (波形 W1 为低电 平, Q (波形 W2为高电平,上面与非门关闭,其输出为高电平(波形 W3;此时,下面与 非门打开,计数脉冲通过(波形 W4,送至双向计数器 74LS1

11、93的减脉冲输入端 CD ,进行 减法计数。 汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时, 其最大旋转角度均为两圈半, 选用分辨率为 360个脉冲 /圈的编码器, 其最大输出脉冲数为 900个; 实际使用的计数电路用 3片 74LS193组成,在系统上电初始化时, 先对其进行复位(CLR 信号, 再将其初值设为 800H , 即 2048 (LD 信号;如此,当方向盘顺时针旋转时,计数电路的输出范围为 20482948,当方向 盘逆时针旋转时,计数电路的输出范围为 20481148;计数电路的数据输出 D0D11送至 数据处理电路。实际使用时,方向盘频繁地进行顺时针和逆时针转动,由于存在量化误差, 工作较

12、长一段时间后,方向盘回中时计数电路输出可能不是 2048,而是有几个字的偏差; 为解决这一问题, 我们增加了一个方向盘回中检测电路, 系统工作后, 数据处理电路在模拟 器处于非操作状态时, 系统检测回中检测电路, 若方向盘处于回中状态, 而计数电路的数据 输出不是 2048,可对计数电路进行复位,并重新设置初值。(二光电编码器在重力测量仪中的应用采用旋转式光电编码器, 把它的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连。 重力测量仪中补偿旋 钮的角位移量转化为某种电信号量;旋转式光电编码器分两种,绝对编码器和增量编码器。 增量编码器是以脉冲形式输出的传感器,其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更 高

13、。一般只需要三条码道,这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义,而是产生 计数脉冲。 它的码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区 (光栅 , 但是两道扇区相互错开半个区。当码盘转动时,它的输出信号是相位差为 90°的 A 相和 B 相脉冲 信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号 (它作为码盘的基准位置,给计数系统提供一个初始的零位信号。从 A , B 两个输出信号的相位关系(超前或滞后 可判断旋转的方向。当码盘正转时, A 道脉冲波形比 B 道超前 /2,而反转时 , A道脉冲 比 B 道滞后 /2。是一实际电路,用 A 道整形波的下沿触发单稳态

14、产生的正脉冲与 B 道整 形波相与,当码盘正转时只有正向口脉冲输出,反之,只有逆向口脉冲输出。因此,增 量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向和相对角位移量。 通常, 若编 码器有 N 个(码道输出信号,其相位差为 / N,可计数脉冲为 2N 倍光栅数,现在 N=2。 电路的缺点是有时会产生误记脉冲造成误差, 这种情况出现在当某一道信号处于“高”或 “低”电平状态,而另一道信号正处于“高”和 “低”之间的往返变化状态,此时码盘虽 然未产生位移, 但是会产生单方向的输出脉冲。例如,码盘发生抖动或手动对准位置时 (下 面可以看到, 在重力仪测量时就会有这种情况 。 是一个既能防止误

15、脉冲又能提高分辨率的 四倍频细分电路。 在这里, 采用了有记忆功能的 D 型触发器和时钟发生电路。 每一道有两个 D 触发器串接,这样,在时钟脉 冲的间隔中,两个 Q 端(如对应 B 道的 74LS175的第 2、 7引脚保持前两个时钟期的输入 状态,若两者相同,则表示时钟间隔中无变化;否则,可 以根据两者关系判断出它的变化方 向,从而产生正向或反向输出脉冲。当某道由 于振动在高、 低间往复变化 时, 将交替产生正向和反向脉冲, 这在对两 个计数器取代数和时就可消除它们的影响 (下面仪器的读数也将涉及这点 。由此可见,时 钟发生器的频率应大于振动频率的可能 最大值。由图 4还可看出,在原一个脉

16、冲信号的周 期内,得到了四个计数脉冲。例如,原每圈脉冲数为 1000的编码器可产生 4倍频的脉冲数 是 4000个,其分辨率为 0.09°。实际上 ,目前这类传感器产品都将光敏元件输出信号的 放大整形等电路与传感检测元件封装在一起, 所以只要加上细分与计数电路就可以组成一个 角位移测量系统(74159是 4-16译码器。三、应用中问题分析及改进措施(一应用中问题分析光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场, 在使用中暴露出许多缺陷, 其有内在因 素也有外在因素,主要表现在以下几个方面:1.发射装置或接受装置因机械震动等原因而 引起的移位或偏移, 导致接收装置不能可靠的接收到光信号

17、, 而不能产生电信号。 例如;光 电编码器应用在轧钢调速系统中, 因光电编码器是直接用螺栓固定在电动机的外壳上, 光电 编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动机转轴相连接, 因电动机所带负载是冲击性负载, 当轧 机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动。 经测定; 过钢时光电编码器振动速度为 2.6mm/s, 这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能。 造成误发脉冲, 从而导致控制系统不稳定或 误动作,导致事故发生。2.因光电检测装置安装在生产现场,受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠 的工作。如安装部位温度高、湿度大,导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。 例如在连铸机送引锭跟踪系统

18、, 由于光电检测装置安装的位置靠近铸坯, 环境温度高而导致 光电检测装置误发出信号或损坏,而引发生产或人身事故。3.生产现场的各种电磁干扰源,对光电检测装置产生的干扰,导致光电检测装置输出波形 发生畸变失真, 使系统误动或引发生产事故。 例如;光电检测装置安装在生产设备本体,其 信号经电缆传输至控制系统的距离一般在 20m 100m , 传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电 缆, 但由于电缆的导线电阻及线间电容的影响再加上和其他电缆同在一起敷设, 极易受到各种电磁干扰的影响, 因此引起波形失真, 从而使反馈到调速系统的信号与实际值的偏差, 而 导致系统精度下降。(二改进措施1.改变光电编码器的安装方式。光电编码器不在安装在电动机外壳上,而是在电动机的基 础上制作一固定支架来独立安装光电编码器, 光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水 平高度, 两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接, 以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲 击。采用此方式后经测振仪检测,其振动速度降至 1.2mm/s。2.合理选择光电检测装置输出信号传输介质,采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞