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編碼器基本原理
編碼器基本原理
一、概述
將機械轉動的模擬量(位移)轉換成以數字代碼形式表示的電信號,這類傳感器稱為編碼器又稱數字編碼器。
編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而廣泛用于各種位移測量。
編碼器的種類很多。按其結構形式有直線式編碼器和旋轉式編碼器。由于許多直線位移是通過轉軸的運動產生的,因此旋轉式編碼器應用更為廣泛。
編碼器按其檢測原理分為電磁式、接觸式、光電式等。
光電式編碼器具有非接觸和體積小的特點,分辨率高,它作為精密位移傳感器在自動測量和自動控制技術中得到了廣泛的應用。
目前我國已有23位光電編碼器,為科學研究、軍事、航天和工業生產提供了對位移量進行精密檢測的手段。
旋轉式編碼器又分為增量式編碼器和絕對式編碼器。
增量式編碼器的輸出是一系列脈沖,需要一個計數系統對脈沖進行累計計數,一般還需要基準數據即零位基準才能完成角位移測量。
絕對式編碼器不需要基準數據及計數系統，它在任意位置都可給出與位置相對應的固定數字碼輸出。
1增量型編碼器(incremental encoder)
增量型編碼器每轉一周可產生一系列的脈沖，脈沖的數量可表示角位移的測量。編碼器內有一圓盤——編碼盤。通常為一光學玻璃,碼盤最外圈的碼道上均布有相當數量的透光與不透光的扇形區域,用來產生記數脈沖的增量碼道，扇形區的多少決定了編碼器的分辨率,扇形區越多
分辨率越高。例如一個每轉5000的增量形編碼器，其碼盤上共有5000個透光和不透光的扇形區域。這個碼盤被安裝到編碼器的旋轉軸上
增量式編碼器的碼盤刻線間距均等對應每一個分辨率區間,可輸出一個增量脈沖。
光源發出平行且定向的光束照到碼盤上,光敏元件接受被調制的光線,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差(相對于一個周波為360度),將C、D信號反向疊加在A、B兩相上,可增強穩定信號;另每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。
用一些數字電子元器件將信號放大,并整形出正交波的脈沖系列,由電纜傳出。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與反轉，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。
可辨向光柵盤結構和辨向原理如圖2,有A相、B相和Z相三條環帶。A相和B相在碼盤上互相錯半個區域,在相位上相差1/4周期,在波形上相差900,即相互垂直。利用B相的上升沿觸發檢測A相的狀態,由此判斷旋轉方向。當碼盤以某個方向勻速旋轉時(如CW),A相超前B相首先導通;當碼盤反方向(CCW)勻速旋轉時,A相滯后于B相。
采用簡單的邏輯電路判斷編碼器輸出的A相和B相輸出脈沖時序便可確定碼盤的旋轉方向。并且對A相或者B相的輸出脈沖進行計數統計，得出旋轉的角位移或者角速度。如果碼盤做變速運動,可把它看做多個運動周期的組合，其辨向方法和速度計算方法相同。Z相脈沖用來設置碼盤旋轉每周的清零,作為軸的初始位置計算當前的角度(360。范圍內)。它的優點是原理構造簡單,機械平均壽命可在幾萬小時以上,抗*力強,可靠性高,適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。
2、絕對型編碼器（旋轉型)
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yi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。
絕對編碼器由機械位置決定的每個位置是唯yi的,它無需記憶,無需找參考點,而且不用一直計數,什么時候需要知道位置,什么時候就去讀取它的位置。這樣,編碼器的抗干擾特性、數據的可靠性大大提高了。
3、光電編碼器
光電式編碼器主要由安裝在旋轉軸上的編碼圓盤(碼盤)、狹縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成，基本結構如圖1所示。碼盤由光學玻璃制成,其上到有許多同心碼道,每位碼道上都有按一定規律排列的透光和不透光部分,即亮區和暗區。碼盆構造如圖2所示,它是一個8位二進制碼盤。當光源將光投射在碼盤上時，轉動碼盤，通過亮區的光線經狹縫后，由光敏元件所接收。光敏元件的排列與碼道一一對應，對應于亮區和暗區的光敏元件輸出的信號,前者為“1”,后者為“O”。Y碼盤旋至不同位置時,光敏元件輸出信號的組合反映出按一定規律編碼的數字量,代表了碼盤軸的角位移大小。
編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進制碼、十進制碼、循環碼等。圖2所示的8位二進制碼盤,員內困碼盤一半透光,一半不透光.最外圈一共分成28=256個黑白間隔每一個角度方位對應于不同的編碼。