编码器工作原理1.docx

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编码器工作原理1

　编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据编制、转换为可用以通讯、传输和存储之形式的设备。

　　编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。

前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“１”还是“０”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“１”还是“０”。

按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关

　光学编码器功能特点

　　‧采用反射式感应技术

　　‧表面贴装无引脚封装

　　‧提供两通道模拟信号输出

　　‧计数频率：

20KHz

　　‧采单一5.0V电源运作

　　‧工作温度：

-10到70oC

　　‧编码分辨率：

180LPI

　　‧符合RoHS环保标准要求

　　编码器工作原理

　　绝对脉冲编码器:

APC

　　增量脉冲编码器:

SPC

　　两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件.

　　旋转编码器是用来测量转速的装置。

它分为单路输出和双路输出两种。

技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。

单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。

　　增量型编码器与绝对型编码器的区分

　　编码器如以信号原理来分，有增量型编码器,绝对型编码器。

　　增量型编码器（旋转型）

　　工作原理:

　　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,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

　　由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

　　编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

　　分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。

　　信号输出:

　　信号输出有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,集电极开路（PNP、NPN）,推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。

　　信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。

　　如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。

　　A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。

　　A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。

　　A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。

　　对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。

　　对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。

光电编码器基础

1.1概述

光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。

近10几年来，发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。

光电编码器可以定义为：

一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。

典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成。

一般来说，根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。

按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。

由于直线式运动可以借助机械连接转变为旋转式运动，反之亦然。

因此，只有在那些结构形式和运动方式都有利于使用直线式光电编码器的场合才予使用。

旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用，在本书中主要针对旋转式光电编码器，如不特别说明，所提到的光电编码器则指旋转式光电编码器。

1.2增量式光电编码器

1.2.1原理及其结构

增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。

它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。

一般来说，增量式光电编码器输出A、B两相互差电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。

同时还有用作参考零位的Z相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。

标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。

增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图1-1所示。

码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。

它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差电度角。

当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。

增量式光电编码器输出信号波形如图1-2所示。

增量式光电编码器的优点是：

原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。

其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。

1.2.2基本技术规格

在增量式光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式。

（1）分辨率

光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。

码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。

在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在500~6000PPR的增量式光电编码器，最高可以达到几万PPR。

交流伺服电机控制系统中通常选用分辨率为2500PPR的编码器。

此外对光电转换信号进行逻辑处理，可以得到2倍频或4倍频的脉冲信号，从而进一步提高分辨率。

（2）精度

增量式光电编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。

精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。

精度通常用角度、角分或角秒来表示。

编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。

（3）输出信号的稳定性

编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。

影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。

由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。

（4）响应频率

编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。

当编码器高速旋转时，如果其分辨率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。

如果光电检测器件和电子线路元器件的工作速度与之不能相适应，就有可能使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。

这样输出信号就不能准确反映轴的位置信息。

所以，每一种编码器在其分辨率一定的情况下，它的最高转速也是一定的，即它的响应频率是受限制的。

编码器的最大响应频率、分辨率和最高转速之间的关系如公式（1-1）所示。

（1-1）

其中，为最大响应频率、为最高转速、N为分辨率。

（5）信号输出形式

在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。

所以，在编码器内还必须将此信号放大、整形。

经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。

由于矩形波输出信号容易进行数字处理，所以这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。

采用正弦波输出信号时基本消除了定位停止时的振荡现象，并且容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。

增量式光电编码器的信号输出形式有：

集电极开路输出（OpenCollector）、电压输出（VoltageOutput）、线驱动输出（LineDriver）、互补型输出（ComplementalOutput）和推挽式输出（TotemPole）。

集电极开路输出这种输出方式通过使用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0V，断开集电极与+Vcc的端子并把集电极作为输出端。

在编码器供电电压和信号接受装置的电压不一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。

输出电路如图1-3所示。

主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。

电压输出这种输出方式通过使用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0V，集电极端子与+Vcc和负载电阻相连，并作为输出端。

在编码器供电电压和信号接受装置的电压一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。

输出电路如图1-4所示。

主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。

线驱动输出这种输出方式将线驱动专用IC芯片（26LS31）用于编码器输出电路，由于它具有高速响应和良好的抗噪声性能，使得线驱动输出适宜长距离传输。

输出电路如图1-5所示。

主要应用领域有伺服电机、机器人、数控加工机械等。

互补型输出这种输出方式由上下两个分别为PNP型和NPN型的三极管组成，当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。

这种输出形式具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此在低阻抗情况下它也可以提供大范围的电源。

由于输入、输出信号相位相同且频率范围宽，因此它适合长距离传输。

输出电路如图1-6所示。

主要应用于电梯领域或专用领域。

推挽式输出这种输出方式由上下两个NPN型的三极管组成，当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。

电流通过输出侧的两个晶体管向两个方向流入，并始终输出电流。

因此它阻抗低，而且不太受噪声和变形波的影响。

输出电路如图1-7所示。

主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。

旋转编码器知识

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A，B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0～360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1000，000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A、B两相（A、B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

1、NPN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。

2、PNP和PNP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英用于NPN或PNP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/转

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2倍4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。