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(yīng)用及安裝,1,實(shí)操應(yīng)用,編碼器的介紹,編碼器Encoder為傳感器(Sensor)類的一種，主要用來(lái)檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、位置、角度、 距離或計(jì)數(shù)，除了應(yīng)用在機(jī)械外，許多的馬達(dá)控制如伺服馬達(dá)均需配備編碼器以供馬達(dá)控制器作為換相、速度及位置的檢出。,2,實(shí)操應(yīng)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(duì)值編碼器,格雷碼,二進(jìn)制碼,編碼器的分類,3,實(shí)操應(yīng)用,1） 利用光電耦合器掃描安裝在機(jī)械軸上的分割成斷的圓盤。 機(jī)械代碼被轉(zhuǎn)換為成比例的電氣

2、脈沖信號(hào)。,數(shù)字型編碼器原理,4,實(shí)操應(yīng)用,數(shù)字式編碼器的原理,2） 光源（一般為L(zhǎng)ED）會(huì)向接收器（可能 是一個(gè)光電二極管）發(fā)出一道狹窄的光束。光源和接收器都被嚴(yán)格安裝在旋轉(zhuǎn)連接軸承的靜止部位。編碼器是一個(gè)帶有透明開口或小窗的遮光圓盤，被安裝在軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)部位。,5,實(shí)操應(yīng)用,光電式數(shù)字編碼器的原理,軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器會(huì)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(duì)應(yīng)的高電平或低電平信號(hào)。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(shí)操應(yīng)用,光電式數(shù)字編碼器原理圖,7,實(shí)操應(yīng)用,增量編碼器的輸出,由一個(gè)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(hào)組合成A、B，-A -B,信號(hào)反向，每組信號(hào)相差90度相位差（一個(gè)周波位360度） C， 零點(diǎn)校正信號(hào)，碼盤旋轉(zhuǎn)一周輸出一個(gè)信號(hào),8,實(shí)操應(yīng)用,增量式編碼器的輸出示意圖,9,實(shí)操應(yīng)用,增量式編碼器的連接原理,1 單相連接 用與單方向計(jì)數(shù),單向測(cè)速 A B兩相連接,用于正反向計(jì)數(shù)，用于判斷正反方 向和測(cè)速 3 A B C 三相連接用于帶參考位修正的判斷測(cè)速 A -A B -B C -C連接，由于帶有對(duì)稱的負(fù)信 號(hào)連接電流對(duì)電纜的磁場(chǎng)貢獻(xiàn)為零，衰減最小，抗干擾較強(qiáng)，可以進(jìn)行長(zhǎng)距離輸出,10,實(shí)操應(yīng)用,如何進(jìn)行正反向判斷,因?yàn)锳 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(shí)操應(yīng)用,如何進(jìn)行正反向判斷邏輯圖,12,實(shí)操應(yīng)用,如何進(jìn)行零位校正,編碼器脈沖在傳輸過程中，可能因?yàn)槟承┰颍ㄈ绺蓴_）產(chǎn)生脈沖信號(hào)丟失，導(dǎo)致傳輸誤差，此時(shí)就需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)修正 零位信號(hào) C編碼器每旋轉(zhuǎn)一周發(fā)一個(gè)脈沖，稱之為零位脈沖或標(biāo)識(shí)脈沖，零位脈沖用于決定零位置或標(biāo)識(shí)位置。要準(zhǔn)確測(cè)量零位脈沖，不論旋轉(zhuǎn)方向，零位脈沖均被作為兩個(gè)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(zhǎng)度的一半。,13,實(shí)操應(yīng)用,零點(diǎn)校正示意圖,14,實(shí)操應(yīng)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(wú)法做到更細(xì),更精.但是通過數(shù)字電路的轉(zhuǎn)

5、換可以實(shí)現(xiàn)更高的脈沖 二倍頻信號(hào) 通過A相和B相的”異或”轉(zhuǎn)換獲得,15,實(shí)操應(yīng)用,增量編碼器的倍頻,四備頻信號(hào) 計(jì)數(shù)器同樣也在通道A和B的每個(gè)沿上發(fā)生增加或者減少。計(jì)數(shù)器的數(shù)目是增加還是減少，取決于哪個(gè)通道引導(dǎo)哪個(gè)通道。計(jì)數(shù)器的數(shù)目每個(gè)周期都會(huì)增加4個(gè)或減少4個(gè)。,16,實(shí)操應(yīng)用,增量式編碼器特點(diǎn),編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)預(yù)先設(shè)定的角度將輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，通過統(tǒng)計(jì)脈沖信號(hào)的數(shù)量來(lái)計(jì)算旋轉(zhuǎn)的角度，因此編碼器輸出的位置數(shù)據(jù)是相對(duì)的 由于采用固定脈沖信號(hào)，因此旋轉(zhuǎn)角度的起始位可以任意設(shè)定 由于采用相對(duì)編碼，因此掉電后旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)會(huì)丟失需要重新復(fù)位,17,實(shí)操應(yīng)用,增量式編碼器問題,1 增量型編碼器存在零點(diǎn)

6、累計(jì)誤差 2 抗干擾較差， 3 接收設(shè)備的停機(jī)需斷電記憶，開機(jī)應(yīng)找 零或參考位等問題 絕對(duì)值編碼器的出現(xiàn)正好解決了這些問題,18,實(shí)操應(yīng)用,絕對(duì)值編碼器原理,絕對(duì)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(gè)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(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。,19,實(shí)操應(yīng)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(gè)位置有其獨(dú)一無(wú)二的代碼。,絕對(duì)值編碼器碼盤,20,實(shí)操應(yīng)用,絕對(duì)值編碼器的輸出碼

7、,1 自然二進(jìn)制 碼 0000 0001 0010 0011 0100 2 循環(huán)二進(jìn)制碼（格雷碼 ）0000 0001 0011 0010 0110 格雷碼的特點(diǎn)：相鄰的整數(shù)在他的數(shù)字表示中只有一個(gè)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(jìn)制-格雷碼 轉(zhuǎn)換格式 ：高位保留 次高位?。ǘM(jìn)制）高位與次高位的“異或”運(yùn)算,21,實(shí)操應(yīng)用,十進(jìn)制與格雷碼的參照,22,實(shí)操應(yīng)用,絕對(duì)值編碼器的輸出形式,1 并行輸出模式 多少位（碼道）絕對(duì)值編碼器就有多少根信號(hào)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(dòng),推挽式，差分高電平有效或低電平有效來(lái)針對(duì)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(shí)操應(yīng)用,絕對(duì)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(shí)間上有先后時(shí)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(yuǎn)，對(duì)于編碼器的保護(hù)和可靠性就大大提高了，一般高位數(shù)的絕對(duì)編碼器和絕對(duì)值多圈編碼器都是用串行輸出的。,24,實(shí)操應(yīng)用,絕對(duì)值編碼器的輸出形式,異步串行形式： 指令與數(shù)據(jù)分時(shí)間和問答，接口是雙工的。典型的有RS485接口，只需兩個(gè)線，傳輸距離遠(yuǎn)，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(gè)編碼器不同的地址，可以多個(gè)編碼器共用傳輸電纜和后續(xù)接收，這種形式稱為現(xiàn)場(chǎng)總線型。,25,實(shí)操應(yīng)用,混合式編碼器原理,把增量制碼與絕對(duì)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(duì)值編碼器的二進(jìn)制格萊碼道，碼盤的轉(zhuǎn)數(shù)由一轉(zhuǎn)脈沖的計(jì)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(jì)數(shù) 多圈式絕對(duì)值編碼器：在單圈絕對(duì)值編碼器的基礎(chǔ)上利用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過齒輪傳動(dòng)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(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍,26,實(shí)操應(yīng)用,正余弦編碼器輸出原理,利用平行光

10、通過光柵時(shí)，所產(chǎn)生的莫爾條紋的光強(qiáng)度近似于余弦函數(shù)，在莫爾條紋移動(dòng)的方向上放置4個(gè)1/4莫爾條紋的光敏元件，將會(huì)得到4組正余弦輸出信號(hào),27,實(shí)操應(yīng)用,正余弦編碼器輸出形式,28,實(shí)操應(yīng)用,直尺編碼器,直尺編碼器： 通過測(cè)量被測(cè)物體的直線行程長(zhǎng)度并將測(cè)量到的行程長(zhǎng)度轉(zhuǎn)化為脈沖電信號(hào)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(shí)操應(yīng)用,光柵尺編碼器,光柵位移傳感器的工作原理，是由一對(duì)光柵副中的主光柵（即標(biāo)尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進(jìn)行相對(duì)位移時(shí)，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(hào)，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(jì)數(shù)顯示。,30,實(shí)操應(yīng)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(jī)，它將機(jī)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(hào)的一種間接測(cè)量裝置。,31,實(shí)操應(yīng)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(hào)元件。當(dāng)勵(lì)磁繞組以一定頻率的交流電壓勵(lì)磁時(shí)，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(dāng)激磁電壓加到定子繞組上時(shí)，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)

12、生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(dāng)原邊輸入交變電壓,32,實(shí)操應(yīng)用,旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用,1. 鑒相工作方式 感應(yīng)電壓的相位角等于轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)角。因此只要檢測(cè)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(shí)操應(yīng)用,旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用,鑒幅工作方式 在實(shí)際應(yīng)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(jī)械角的變化，并測(cè)量感應(yīng)電壓幅值即可求得機(jī)械角位移。,34,實(shí)操應(yīng)用,編碼器的安裝注意事項(xiàng),機(jī)械方面： 安裝時(shí)注意允許的軸負(fù)載 應(yīng)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(shí)嚴(yán)禁敲擊和摔打碰撞，以免損壞軸系和碼盤 長(zhǎng)期使用時(shí)，定期檢查固定編碼器的螺釘是否松動(dòng) （每季度一次）,35,實(shí)操應(yīng)用,編碼器安裝方式,編碼器在擴(kuò)展軸上,編碼器在實(shí)體軸上,絕對(duì)編碼器,分解器,臨近傳感器,通用編碼器安裝在擴(kuò)展軸上,36,實(shí)操應(yīng)用,編碼器的安裝注意事項(xiàng),電氣方面： 接地線應(yīng)盡量粗，一般應(yīng)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(hào)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(jī)等設(shè)備，應(yīng)接地良好，不要有靜電,37,實(shí)操應(yīng)用,編碼器屏蔽線的安裝,Connect the shield in the Sub D on the enc