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標(biāo)題: 編碼器工作原理 [打印本頁]

作者: coolice 時(shí)間: 2020-1-3 13:22
標(biāo)題: 編碼器工作原理
編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是"1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是"1”還是"0”，通過"1”和“0”的二進(jìn)制編碼來將采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。
　　由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對于一個(gè)周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號；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)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤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，塑料碼盤是經(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為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。

編碼器作用

　　利用電磁感應(yīng)原理將兩個(gè)平面型繞組之間的相對位移轉(zhuǎn)換成電信號的測量元件，用于長度測量工具。感應(yīng)同步器（俗稱編碼器、光柵尺）分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩類。前者由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量；后者由定子和轉(zhuǎn)子組成，用于角位移測量。1957年美國的R.W.特利普等在美國取得感應(yīng)同步器的專利，原名是位置測量變壓器，感應(yīng)同步器是它的商品名稱，初期用于雷達(dá)天線的定位和自動跟蹤、導(dǎo)彈的導(dǎo)向等。在機(jī)械制造中，感應(yīng)同步器常用于數(shù)字控制機(jī)床、加工中心等的定位反饋系統(tǒng)中和坐標(biāo)測量機(jī)、鏜床等的測量數(shù)字顯示系統(tǒng)中。它對環(huán)境條件要求較低，能在有少量粉塵、油霧的環(huán)境下正常工作。　定尺上的連續(xù)繞組的周期為2毫米。滑尺上有兩個(gè)繞組，其周期與定尺上的相同，但相互錯(cuò)開1/4周期（電相位差90°）。感應(yīng)同步器的工作方式有鑒相型和鑒幅型的兩種。前者是把兩個(gè)相位差90°、頻率和幅值相同的交流電壓U1 和U2分別輸入滑尺上的兩個(gè)繞組，按照電磁感應(yīng)原理，定尺上的繞組會產(chǎn)生感應(yīng)電勢U。如滑尺相對定尺移動，則U的相位相應(yīng)變化，經(jīng)放大后與U1和U2比相、細(xì)分、計(jì)數(shù)，即可得出滑尺的位移量。在鑒幅型中，輸入滑尺繞組的是頻率、相位相同而幅值不同的交流電壓，根據(jù)輸入和輸出電壓的幅值變化，也可得出滑尺的位移量。由感應(yīng)同步器和放大、整形、比相、細(xì)分、計(jì)數(shù)、顯示等電子部分組成的系統(tǒng)稱為感應(yīng)同步器測量系統(tǒng)。它的測長精確度可達(dá)3微米/1000毫米，測角精度可達(dá)1″/360°。

絕對式編碼器

　　旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時(shí)輸出脈沖，通過計(jì)數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動，當(dāng)來電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。
　　解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn)，開機(jī)找零等方法。
　　比如，打印機(jī)掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理，每次開機(jī)，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點(diǎn)，然后才工作。
　　這樣的方法對有些工控項(xiàng)目比較麻煩，甚至不允許開機(jī)找零（開機(jī)后就要知道準(zhǔn)確位置），于是就有了絕對編碼器的出現(xiàn)。
　　絕對型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，因其每一個(gè)位置絕對唯一、抗干擾、無需掉電記憶，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制。
　　絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，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位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

　　絕對編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。
　　由于絕對編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。絕對型編碼器因其高精度，輸出位數(shù)較多，如仍用并行輸出，其每一位輸出信號必須確保連接很好，對于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來諸多不便和降低可靠性，因此，絕對編碼器在多位數(shù)輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出，德國生產(chǎn)的絕對型編碼器串行輸出最常用的是SSI（同步串行輸出）。
　　從單圈絕對式編碼器到多圈絕對式編碼器　旋轉(zhuǎn)單圈絕對式編碼器，以轉(zhuǎn)動中測量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動超過360度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對式編碼器。
　　如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360度范圍，就要用到多圈絕對式編碼器。　
　　編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)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)大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。
　　多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多，這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn)，將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，而大大簡化了安裝調(diào)試難度。
　　多圈式絕對編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。

增量型編碼器

　　工作原理：
　　由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對于一個(gè)周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號；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)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。
　　編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤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，塑料碼盤是經(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為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。
　　信號輸出：
　　信號輸出有正弦波（電流或電壓），方波(TTL、HTL)，集電極開路(PNP、NPN)，推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動（對稱A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。
　　信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計(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，開關(guān)頻率有低有高。
　　如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測速。
　　A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測速。
　　A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。
　　A、A-,B、B-,Z、Z-連接，由于帶有對稱負(fù)信號的連接，電流對于電纜貢獻(xiàn)的電磁場為0,衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。
　　對于TTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)150米。
　　對于HTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)300米。
　　增量式編碼器的問題：
　　增量型編碼器存在零點(diǎn)累計(jì)誤差，抗干擾較差，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，這些問題如選用絕對型編碼器可以解決。
　　增量型編碼器的一般應(yīng)用：
　　測速，測轉(zhuǎn)動方向，測移動角度、距離（相對）。

編碼器信號輸出
　　信號輸出有正弦波（電流或電壓），方波(TTL、HTL)，集電極開路(PNP、NPN)，推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動（對稱A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。
　　信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計(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，開關(guān)頻率有低有高。
　　如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測速。
　　A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測速。
　　A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。
　　A、A-,B、B-,Z、Z-連接，由于帶有對稱負(fù)信號的連接，電流對于電纜貢獻(xiàn)的電磁場為0,衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。
　　對于TTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)150米。
　　對于HTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)300米。

作者: 奧凱特編碼器 時(shí)間: 2020-4-16 14:15
入門原理。會準(zhǔn)確點(diǎn)。

作者: lyyxjun 時(shí)間: 2021-4-5 08:10
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