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[工控技术] 旋转编码器知识
soloman 发表于:2008/6/4 20:30:01
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一、旋转编码器的原理和特点

旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器。当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时,经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线,并被接收元件接收产生初始信号。该信号经后继电路处理后,输出脉冲或代码信号。其特点是体积小,重量轻,品种多,功能全,频响高,分辨能力高,力矩小,耗能低,性能稳定,可靠使用寿命长等特点。

1、增量式编码器

增量式编码器轴旋转时,有相应的相位输出。其旋转方向的判别和脉冲数量的增减,需借助后部的判向电路和计数器来实现。其计数起点可任意设定,并可实现多圈的无限累加和测量。还可以把每转发出一个脉冲的Z信号,作为参考机械零位。当脉冲已固定,而需要提高分辨率时,可利用带90度相位差AB的两路信号,对原脉冲数进行倍频。

 

2、绝对值编码器

绝对值编码器轴旋转器时,有与位置一一对应的代码(二进制,BCD码等)输出,从代码大小的变更即可判别正反方向和位移所处的位置,而无需判向电路。它有一个绝对零位代码,当停电或关机后再开机重新测量时,仍可准确地读出停电或关机位置地代码,并准确地找到零位代码。一般情况下绝对值编码器的测量范围为0360度,但特殊型号也可实现多圈测量。

3、正弦波编码器

正弦波编码器也属于增量式编码器,主要的区别在于输出信号是正弦波模拟量信号,而不是数字量信号。它的出现主要是为了满足电气领域的需要-用作电动机的反馈检测元件。在与其它系统相比的基础上,人们需要提高动态特性时可以采用这种编码器。

为了保证良好的电机控制性能,编码器的反馈信号必须能够提供大量的脉冲,尤其是在转速很低的时候,采用传统的增量式编码器产生大量的脉冲,从许多方面来看都有问题,当电机高速旋转(6000rpm)时,传输和处理数字信号是困难的。在这种情况下,处理给伺服电机的信号所需带宽(例如编码器每转脉冲为10000)将很容易地超过MHz门限;而另一方面采用模拟信号大大减少了上述麻烦,并有能力模拟编码器的大量脉冲。这要感谢正弦和余弦信号的内插法,它为旋转角度提供了计算方法。这种方法可以获得基本正弦的高倍增加,例如可从每转1024个正弦波编码器中,获得每转超过1000000个脉冲。接受此信号所需的带宽只要稍许大于100KHz即已足够。内插倍频需由二次系统完成。

二、输出信号

1、信号序列

一般编码器输出信号除AB两相(AB两通道的信号序列相位差为90度)外,每转一圈还输出一个零位脉冲Z

当主轴以顺时针方向旋转时,按下图输出脉冲,A通道信号位于B通道之前;当主轴逆时针旋转时,A通道信号则位于B通道之后。从而由此判断主轴是正转还是反转。

正弦输出编码器输出的差分信号如下图所示:

2、零位信号

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。

3、预警信号

有的编码器还有报警信号输出,可以对电源故障,发光二极管故障进行报警,以便用户及时更换编码器。

三、输出电路

1NPN电压输出和NPN集电极开路输出线路

  此线路仅有一个NPN型晶体管和一个上拉电阻组成,因此当晶体管处于静态时,输出电压是电源电压,它在电路上类似于TTL逻辑,因而可以与之兼容。在有输出时,晶体管饱和,输出转为0VDC的低电平,反之由零跳向正电压。

随着电缆长度、传递的脉冲频率、及负载的增加,这种线路形式所受的影响随之增加。因此要达到理想的使用效果,应该对这些影响加以考虑。集电极开路的线路取消了上拉电阻。这种方式晶体管的集电极与编码器电源的反馈线是互不相干的,因而可以获得与编码器电压不同的电流输出信号。

2PNPPNP集电极开路线路

   该线路与NPN线路是相同,主要的差别是晶体管,它是PNP型,其发射极强制接到正电压,如果有电阻的话,电阻是下拉型的,连接到输出与零伏之间。

3推挽式线路

  这种线路用于提高线路的性能,使之高于前述各种线路。事实上,NPN电压输出线路的主要局限性是因为它们使用了电阻,在晶体管关闭时表现出比晶体管高得多的阻抗,为克服些这缺点,在推挽式线路中额外接入了另一个晶体管,这样无论是正方向还是零方向变换,输出都是低阻抗。推挽式线路提高了频率与特性,有利于更长的线路数据传输,即使是高速率时也是如此。信号饱和的电平仍然保持较低,但与上述的逻辑相比,有时较高。任何情况下推挽式线路也都可应用于NPNPNP线路的接收器。

4、长线驱动器线路

当运行环境需要随电气干扰或编码器与接收系统之间存在很长

的距离时,可采用长线驱动器线路。数据的发送和接收在两个互补

的通道中进行,所以干扰受到抑制(干扰是由电缆或相邻设备引起的)。这种干扰可看成“共模干扰”。此外,总线驱动器的发送和接收都是以差动方式进行的,或者说互补的发送通道上是电压的差。因此对共模干扰它不是第三者,这种传送方式在采用DC5V系统时可认为与RS422兼容;在特殊芯片时,电源可达DC24V,可以在恶劣的条件(电缆长,干扰强烈等)下使用。

5、差动线路

差动线路用在具有正弦长线驱动器的模拟编码器中,这时,要求信号的传送不受干扰。像长线驱动器线路那样,对于数字信号产生两个相位相差180度的信号。这种线路特意设置了120欧姆的特有线路阻抗,它与接收器的输入电阻相平衡,而接收器必须有相等的负载阻抗。通常,在互补信号之间并联连,120欧姆的终端电阻就达到了这种目的。

四、常用术语

■输出脉冲数/

旋转编码器转一圈所输出的脉冲数发,对于光学式旋转编码器,通常与旋转编码器内部的光栅的槽数相同(也可在电路上使输出脉冲数增加到槽数的24倍)。

■分辨率

分辨率表示旋转编码器的主轴旋转一周,读出位置数据的最大等分数。绝对值型不以脉冲形式输出,而以代码形式表示当前主轴位置(角度)。与增量型不同,相当于增量型的“输出脉冲/转”

■光栅

光学式旋转编码器,其光栅有金属和玻璃两种。如是金属制的,开有通光孔槽;如是玻璃制的,是在玻璃表面涂了一层遮光膜,在此上面没有透明线条(槽)。槽数少的场合,可在金属圆盘上用冲床加工或腐蚀法开槽。在耐冲击型编码器上使用了金属的光栅,它与金属制的光栅相比不耐冲击,因此在使用上请注意,不要将冲击直接施加于编码器上。

■最大响应频率

是在1秒内能响应的最大脉冲数

(例:最大响应频率为2KHz,即1秒内可响应2000个脉冲)

公式如下

最大响应转速(rpm/60×(脉冲数/转)=输出频率Hz

■最大响应转速

是可响应的最高转速,在此转速下发生的脉冲可响应公式如下:

最大响应频率(Hz/ 脉冲数/转)×60=轴的转速rpm

■输出波形

输出脉冲(信号)的波形。

■输出信号相位差

二相输出时,二个输出脉冲波形的相对的的时间差。

■输出电压

指输出脉冲的电压。输出电压会因输出电流的变化而有所变化。各系列的输出电压请参照输出电流特性图

■起动转矩

使处于静止状态的编码器轴旋转必要的力矩。一般情况下运转中的力矩要比起动力矩小。

■轴允许负荷

表示可加在轴上的最大负荷,有径向和轴向负荷两种。径向负荷对于轴来说,是垂直方向的,受力与偏心偏角等有关;轴向负荷对轴来说,是水平方向的,受力与推拉轴的力有关。这两个力的大小影响轴的机械寿命

■轴惯性力矩

该值表示旋转轴的惯量和对转速变化的阻力

■转速

该速度指示编码器的机械载荷限制。如果超出该限制,将对轴承使用寿命产生负面影响,另外信号也可能中断。

■格雷码

格雷码是高级数据,因为是单元距离和循环码,所以很安全。每步只有一位变化。数据处理时,格雷码须转化成二进制码。

■工作电流

指通道允许的负载电流。

■工作温度

参数表中提到的数据和公差,在此温度范围内是保证的。如果稍高或稍低,编码器不会损坏。当恢复工作温度又能达到技术规范

■工作电压

编码器的供电电压。


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