编码器的类型与原理

关于编码器的类型与原理编码器的介绍

编码器Encoder为传感器(Sensor)类的一种，主要用来检测机械运动的速度、位置、角度、距离或计数，除了应用在机械外，许多的马达控制如伺服马达均需配备编码器以供马达控制器作为换相、速度及位置的检出。

第2页,共40页，2024年2月25日，星期天编码器模拟量编码器数字编码器旋转变压器Sin/Cos编码器增量编码器绝对值编码器A,A,B,B,C,C___格雷码二进制码编码器的分类第3页,共40页，2024年2月25日，星期天

1）利用光电耦合器扫描安装在机械轴上的分割成断的圆盘。机械代码被转换为成比例的电气脉冲信号。

数字型编码器原理第4页,共40页，2024年2月25日，星期天数字式编码器的原理2）光源（一般为LED）会向接收器（可能是一个光电二极管）发出一道狭窄的光束。光源和接收器都被严格安装在旋转连接轴承的静止部位。编码器是一个带有透明开口或小窗的遮光圆盘，被安装在轴承的转动部位。

第5页,共40页，2024年2月25日，星期天光电式数字编码器的原理

轴承转动时，编码器会让光束交替通过（透过圆盘上的小窗口）。光电二极管则随着位置的变化输出对应的高电平或低电平信号。光电二极管的输出可以通过专门的电路，转化为位置和速率信息。第6页,共40页，2024年2月25日，星期天光电式数字编码器原理图第7页,共40页，2024年2月25日，星期天增量编码器的输出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取,获得方波信号组合成A、B，-A-B,信号反向，每组信号相差90度相位差（一个周波位360度）C，零点校正信号，码盘旋转一周输出一个信号第8页,共40页，2024年2月25日，星期天增量式编码器的输出示意图

第9页,共40页，2024年2月25日，星期天增量式编码器的连接原理1单相连接用与单方向计数,单向测速AB两相连接,用于正反向计数，用于判断正反方向和测速3ABC三相连接用于带参考位修正的判断测速A-AB-BC-C连接，由于带有对称的负信号连接电流对电缆的磁场贡献为零，衰减最小，抗干扰较强，可以进行长距离输出第10页,共40页，2024年2月25日，星期天如何进行正反向判断因为AB两相相差90度，可以通过判断A相在先还是B相在先，从而判断正转还是反转第11页,共40页，2024年2月25日，星期天如何进行正反向判断逻辑图第12页,共40页，2024年2月25日，星期天如何进行零位校正编码器脉冲在传输过程中，可能因为某些原因（如干扰）产生脉冲信号丢失，导致传输误差，此时就需要对其进行及时修正零位信号C

编码器每旋转一周发一个脉冲，称之为零位脉冲或标识脉冲，零位脉冲用于决定零位置或标识位置。要准确测量零位脉冲，不论旋转方向，零位脉冲均被作为两个通道的高位组合输出。由于通道之间的相位差的存在，零位脉冲仅为脉冲长度的一半。第13页,共40页，2024年2月25日，星期天零点校正示意图

第14页,共40页，2024年2月25日，星期天增量编码器的倍频

物理分割的码盘因受到工艺及采制的限制,无法做到更细,更精.但是通过数字电路的转换可以实现更高的脉冲二倍频信号通过A相和B相的”异或”转换获得第15页,共40页，2024年2月25日，星期天增量编码器的倍频四备频信号计数器同样也在通道A和B的每个沿上发生增加或者减少。计数器的数目是增加还是减少，取决于哪个通道引导哪个通道。计数器的数目每个周期都会增加4个或减少4个。第16页,共40页，2024年2月25日，星期天增量式编码器特点编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据是相对的由于采用固定脉冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度数据会丢失需要重新复位第17页,共40页，2024年2月25日，星期天增量式编码器问题

1增量型编码器存在零点累计误差

2抗干扰较差，

3接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题

绝对值编码器的出现正好解决了这些问题第18页,共40页，2024年2月25日，星期天绝对值编码器原理

绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16

线。。。。。。编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。第19页,共40页，2024年2月25日，星期天

通过一组光电耦合器扫描旋转盘上的代码图案。每一个位置有其独一无二的代码。

绝对值编码器码盘第20页,共40页，2024年2月25日，星期天绝对值编码器的输出码1自然二进制码000000010010001101002循环二进制码（格雷码）00000001001100100110

格雷码的特点：相邻的整数在他的数字表示中只有一个不同，可避免数字转换电路中出现很大的峰值电流（如3-4，0011-0100）二进制-格雷码转换格式：高位保留次高位取（二进制）高位与次高位的“异或”运算第21页,共40页，2024年2月25日，星期天十进制与格雷码的参照第22页,共40页，2024年2月25日，星期天绝对值编码器的输出形式1并行输出模式多少位（码道）绝对值编码器就有多少根信号电缆，每根电缆代表一位数据，以电缆输出电平的高低代表1或0，物理器件与增量值编码器相似，有集电极开路PNP,NPN型,差分驱动,推挽式，差分高电平有效或低电平有效来针对PNP或NPN的物理器件格式,并行输出一般已格雷码形式输出,又称格雷码编码器第23页,共40页，2024年2月25日，星期天绝对值编码器的输出形式同步串行界面（SSI）输出：

串行输出就是数据集中在一组电缆上传输，通过约定，在时间上有先后时序的数据输出，这种约定称为通讯规约。串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和可靠性就大大提高了，一般高位数的绝对编码器和绝对值多圈编码器都是用串行输出的。第24页,共40页，2024年2月25日，星期天绝对值编码器的输出形式异步串行形式：指令与数据分时间和问答，接口是双工的。典型的有RS485接口，只需两个线，传输距离远，数据内容即可以是编码器的位置值，也可以是根据指令要求的其他内容，如加上每个编码器不同的地址，可以多个编码器共用传输电缆和后续接收，这种形式称为现场总线型。第25页,共40页，2024年2月25日，星期天混合式编码器原理把增量制码与绝对制码同做在一块码盘上。在圆盘的最外圈是高密度的增量条纹，中间是绝对值编码器的二进制格莱码道，码盘的转数由一转脉冲的计数表示，在一周以内转过的角度用格莱码的数值计数多圈式绝对值编码器：在单圈绝对值编码器的基础上利用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围第26页,共40页，2024年2月25日，星期天正余弦编码器输出原理利用平行光通过光栅时，所产生的莫尔条纹的光强度近似于余弦函数，在莫尔条纹移动的方向上放置4个1/4莫尔条纹的光敏元件，将会得到4组正余弦输出信号第27页,共40页，2024年2月25日，星期天正余弦编码器输出形式第28页,共40页，2024年2月25日，星期天直尺编码器直尺编码器：通过测量被测物体的直线行程长度并将测量到的行程长度转化为脉冲电信号输出原理通俗的讲就是将旋转编码器的码盘拉成一条直线第29页,共40页，2024年2月25日，星期天光栅尺编码器

光栅位移传感器的工作原理，是由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90o的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。

第30页,共40页，2024年2月25日，星期天旋转变压器

旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。第31页,共40页，2024年2月25日，星期天旋转变压器的原理

1旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦或余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系2旋转变压器的定子和转子之间的磁通分布符合正弦规律，因此当激磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势，如图4-9所示。其输出电压的大小取决于转子的角向位置，即随着转子偏移的角度呈正弦变化。由变压器原理，设原边绕组匝数为N1，副边绕组匝数为N2，k=N1/N2为变压比，当原边输入交变电压

第32页,共40页，2024年2月25日，星期天旋转变压器的应用

1.鉴相工作方式感应电压的相位角等于转子的机械转角。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角第33页,共40页，2024年2月25日，星期天旋转变压器的应用鉴幅工作方式在实际应用中，通过不断修改激磁调幅电压值的电气角，使之跟踪机械角的变化，并测量感应电压幅值即可求得机械角位移。第34页,共40页，2024年2月25日，星期天编码器的安装注意事项机械方面：安装时注意允许的轴负载应保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度＜0.20mm，与轴线的偏角＜1.5°安装时严禁敲击和摔打碰撞，以免损坏轴系和码盘长期使用时，定期检查固定编码器的螺钉是否松动（每季度一次）第35页,共40页，2024年2月25日，星期天编码器安装方式编码器在扩展轴上编码器在实体轴上绝对编码器分解器临近传感器通用编码器安装在扩展轴上第36页,共40页，2024年2月25日，星期天编码器的安装注意事项

电气方面：接地线应尽量粗，一般应大于1.5平方编码器的输出线彼此不要搭接，以免损坏输出电路编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电流上，以免损坏输出电路与编码器相连的电机等设备，应接地良好，不要有静电第37页,共40页，2024年2月25日，星期天编码器屏蔽线的安装ConnecttheshieldintheSubDontheencoder用屏蔽的D型接口连接