编码器工作原理.docx

1、编码器工作原理编码器的工作原理及作用：它是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移， 如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起， 也可用于测量直 线位移。编码器产生电信号后由数控制置 CNC 、可编程逻辑控制器 PLC 、控制系统等来处理。 这些传感器主要应用在下列方面：机床、材料加工、电动机反馈系统以及测量和控制设备。 在 ELTRA 编码器中角位移的转换采用了光电扫描原理。 读数系统是基于径向分度盘的旋转， 该分度由交替的透光窗口和不透光窗口构成的。 此系统全部用一个红外光源垂直照射， 这样 光就把盘子上的图像投射到接收器表面上， 该接收器覆盖着一层光栅，

2、 称为准直仪， 它具有 和光盘相同的窗口。 接收器的工作是感受光盘转动所产生的光变化， 然后将光变化转换成相 应的电变化。一般地，旋转编码器也能得到一个速度信号，这个信号要反馈给变频器， 从而 调节变频器的输出数据。故障现象： 1 、 旋转编码器坏（无输出）时，变频器不能正常工作，变得运行速度很慢，而且一会儿变频器保护，显示 “PG断开” 联合动作才能起作用。要使电信号上升到较高电平， 并产生没有任何干扰的方波脉冲， 这就必须用电子电路来处理。 编码器 pg 接线与参数 矢量变频器与编码器 pg 之间的连接方式 ,必须与编码器 pg 的型号相 对应。一般而言 ,编码器 pg 型号分差动输出、集

3、电极开路输出和推挽输出三种 ,其信号的传递方式必须考虑到变频器 pg 卡的接口 , 因此选择合适的 pg 卡型号或者设置合理 .编码器一般分为增量型与绝对型， 它们存着最大的区别： 在增量编码器的情况下， 位置 是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的， 而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数确定 的。在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的； 因此，当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。如果电源再次接通，那么位置读数仍是当前的， 有效的； 不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。现在编码器的厂家生产的系列都很全， 一般都是专用的， 如电梯专用型编码器、 机床专 用编码器、 伺服电机专

4、用型编码器等， 并且编码器都是智能型的， 有各种并行接口可以与其 它设备通讯。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

5、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。旋转增量式编码器以转动时输出脉冲， 通过计数设备来知道其位置， 当编码器不动或停 电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动， 当来电工作时， 编码器输出脉冲过程中， 也不能有干扰而丢失脉冲，不然， 计数设备记忆的 零点就会偏移， 而且这种偏移的量是无从知道的， 只有错误的生产结果出现后才能知道。 解决的方法是增加参考点， 编码器每经过参考点， 将参考位置修正进计数设备的记忆位置。 在 参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此， 在工控中就有每次操作先找参考点， 开机找零等

6、方法。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性， 它无需记忆， 无需找参考点， 而且不 用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样， 编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器， 已经越来越多地应用于工控定位 中。绝对型编码器因其高精度， 输出位数较多，如仍用并行输出， 其每一位输出信号必须确 保连接很好， 对于较复杂工况还要隔离， 连接电缆芯数多， 由此带来诸多不便和降低可靠性， 因此， 绝对编码器在多位数输出型， 一般均选用串行输出或总线型输出， 德国生产的

7、绝对型 编码器串行输出最常用的是 SSI （同步串行输出）。多圈绝对式编码器。 编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理， 当中心码盘旋转时， 通 过齿轮传动另一组码盘 （或多组齿轮， 多组码盘） ，在单圈编码的基础上再增加圈数的编码， 以扩大编码器的测量范围， 这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器， 它同样是由机械位 置确定编码， 每个位置编码唯一不重复， 而无需记忆。 多圈编码器另一个优点是由于测量范 围大， 实际使用往往富裕较多， 这样在安装时不必要费劲找零点， 将某一中间位置作为起始 点就可以了，而大大简化了安装调试难度。多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显， 已经越来越多地应用于工

8、控定位中。编码器工作原理 ,光电编码器的工作原理分析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

9、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

10、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 510000 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。信号连接一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

11、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。编码器的定义与功能：在数字系统里，常常需要将某一信息（输入）变换为某一特定的代码（输出）。把二进制码 按一定的规律编排，例如 8421 码

12、、格雷码等，使每组代码具有一特定的含义（代表某个数 字或控制信号） 称为编码。具有编码功能的逻辑电路称为编码器。 编码器有若干个输入，在 某一时刻只有一个输入信号被转换成为二进制码。如果一个编码器有 N 个输入端和 n 个输出端，则输出端与输入端之间应满足关系 NK 2n。例如8线一3线编码器和10线一4线编码器分别有 8输入、 3位二进制码输出和 10输入、 4位二进制码输出。1.4 线 2 线编码器下面分析 4输入、 2位二进制输出的编码器的工作原理。 4线2线编码器的功能如表 5.2.1所示。根据逻辑表达式画出逻辑图如图 5.2.1 所示。该逻辑电路可以实现如表 5.2.1 所示的功能，

13、 即当1013中某一个输入为1，输出Y1Y0即为相对应的代码，例如当 11为1时，Y1Y0为01。这里还有一个问题请读者注意。当 I0为1 , 11I3都为0和I013均为0时Y1Y0都是00，而这两种情况在实际中是必须加以区分的，这个问题留待后面加以解决。当然，编码器 也可以设计为低电平有效。2.键盘输入 8421BCD 码编码器：计算机的键盘输入逻辑电路就是由编码器组成。 图 5.2.2是用十个按键和门电路组成的 8421码编码器，其功能如表 5.2.2所示， 其中S0S9代表十个按键，即对应十进制数 09的输入键，它们对应的输出代码正好是 8421BCD 码，同时也把它们作为逻辑变量，

14、ABCD为输出代码 （A 为最高位 ），GS 为控制使能标志。对功能表和逻辑电路进行分析，都可得知：该编码器为输入低电平有效；在按下 SOS9中任意一个键时，即输入信号中有一个为有效电平时， GS= 1，代表有信号输入，而只有 S0S9均为高电平时GS= 0,代表无信号输入，此时的输出代码 0000为无效代码。由此解决 了前面提出的如何区分两种情况下输出都是全 0的问题。综上所述,对编码器归纳为以下几点：1编码器的输入端子数 N （要进行编码的信息的个数）与输出端子数 n （所得编码的位数） 之间应满足关系式 NK 2nb2.编码器的每个输入端都代表一个二进制数、 十进制数或其它信息符号, 而

15、且在 N 个输入端中每次只允许有一个输入端输入信号 （输入低电平有效或输入高电平有效） ,输出为相应的 二进制代码或二十进制代码（ BCD 码）。3.正确使用编码器的控制端,可以用来扩展编码器的功能。一、光电编码器的工作原理光电编码器, 是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感 器。这是目前应用最多的传感器, 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。 光栅盘是在一定直径的 圆板上等分地开通若干个长方形孔。 由于光电码盘与电动机同轴, 电动机旋转时, 光栅盘与电动机同速 旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号, 其原理示意图如图 1 所示； 通

16、过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。 此外, 为判断旋转方向, 码盘还可提供相位相差90o 的两路脉冲信号。根据检测原理, 编码器可分为光学式、磁式、 感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。（一）增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90o,从而可方便地判断出旋转方向，而 Z 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上， 抗干扰能力强， 可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出 轴转动的绝对位置信息。（二）绝对式编码器绝

17、对编码器是直接输出数字量的传感器， 在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道， 每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成， 相邻码道的扇区数目是双倍关系， 码盘上的码道数就是它的二进 制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各 光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号， 形成二进制数。 这种编码器的特点是不要计数器， 在 转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。 显然， 码道越多，分辨率就越高，对于一 个具有 N 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有 N 条码道。目前国内已有 16 位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环

18、二进制 （葛莱码） 方式进行光电转换的。 绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、 不透光的线条图形， 绝对编码器可有若干编码， 根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：1可以直接读出角度坐标的绝对值；2没有累积误差；3电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度 取决于位数，目前有 10 位、 14 位等多种。（三）混合式绝对值编码器混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能； 另一组则完全同增量式编码器的输出信息。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将

19、输入给轴的角度量，利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠 ,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。二、光电编码器的应用电路（一） EPC 755A 光电编码器的应用EPC 755A 光电编码器具备良好的使用性能，在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强， 并具有稳定可靠的输出脉冲信号， 且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。 因此， 我们在研制汽车驾驶模拟器时，对方向盘旋转角度的测量选用 EPC 755A 光电编码器作为传感器，其输出电路选用集电极开路型，输出分辨率选用 360 个

20、脉冲 /圈，考虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋转，也可逆 时针旋转，需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。 图 2 给出了光电编码器实际使用的鉴相与双向计数 电路，鉴相电路用 1 个 D 触发器和 2 个与非门组成，计数电路用 3 片 74LS193 组成当光电编码器顺时针旋转时，通道 A 输出波形超前通道 B 输出波形 90， D 触发器输出 Q（波形 W1 ）为高电平，Q （波形W2 ）为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过（波形 W3），送至双向计数器 74LS193 的加脉冲输入端CU，进行加法计数；此时，下面与非门关闭，其输出为高电平（波形 W4）。当光电编码器逆时针旋转时，

21、通道 A输出波形比通道 B输出波形延迟90 D触发器输出Q （波形 W1 ）为低电平，Q （波形W2）为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平（波形 W3）;此时，下面与非门打开，计数脉冲通过（波形W4 ），送至双向计数器 74LS193的减脉冲输入端 CD，进行减法计数。汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时， 其最大旋转角度均为两圈半， 选用分辨率为 360 个脉冲 /圈的编码器，其最大输出脉冲数为 900 个；实际使用的计数电路用 3 片 74LS193 组成，在系统上电初始化时，先对其进行复位（ CLR 信号），再将其初值设为 800H ，即 2048（LD 信号）；如此，当方向盘顺时 针旋转

22、时，计数电路的输出范围为20482948,当方向盘逆时针旋转时， 计数电路的输出范围为 20481148;计数电路的数据输出 D0D11 送至数据处理电路。实际使用时， 方向盘频繁地进行顺时针和逆时针转动， 由于存在量化误差， 工作较长一段时 间后，方向盘回中时计数电路输出可能不是 2048，而是有几个字的偏差；为解决这一问题，我们增加 了一个方向盘回中检测电路， 系统工作后， 数据处理电路在模拟器处于非操作状态时， 系统检测回中检测 电路，若方向盘处于回中状态，而计数电路的数据输出不是 2048，可对计数电路进行复位，并重新设 置初值。（二）光电编码器在重力测量仪中的应用采用旋转式光电编码器

23、， 把它的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连。 重力测量仪中补偿旋 钮的角位移量转化为某种电信号量；旋转式光电编码器分两种，绝对编码器和增量编码器。增量编码器是以脉冲形式输出的传感器， 其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高 。一般只需要三条码道， 这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义， 而是产生计数脉冲。 它的 码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区 （光栅） ，但是两道扇区相互错开半 个区。当码盘转动时，它的输出信号是相位差为 90的 A 相和 B 相脉冲 信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数系统提供一个初始的零位

24、信号）。从 A， B 两个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。 当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前n /2而反转时 ，A道脉冲比B道滞后n /2是一实际电路，用 A道整形波的下沿触发单稳态 产生的正脉冲与B道整形波相与，当码盘正转时只有正向口脉冲输出，反之，只有逆向口脉冲输出。因此，增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向和相对角位移量。通常，若编码器有 N 个（码道）输出信号，其相位差为n / N,可计数脉冲为2N倍光栅数，现在N=2。电路的缺点是有时会产生误记脉冲造成误差， 这种情况出现在当某一道信号处于 “高”或“低”电平状态，而另一道信号正处于 “高”和

25、 “低”之间的往返变化状态， 此时码盘虽然未产生位移，但是会产生单方向的输出脉冲。 例如， 码盘发生抖动或手动对准位置时（下面可以看到，在重力仪测量时就会有这种情况）。是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。 在这里， 采用了有记忆功能的 D型触发器和时钟发生电路。每一道有两个 D 触发器串接，这样，在时钟脉 冲的间隔中，两个 Q 端（如对应B道的74LS175的第 2、7引脚）保持前两个时钟期的输入 状态，若两者相同，则表示时钟间隔中无变化；否则，可以根据两者关系判断出它的变化方 向，从而产生 正向 或反向 输出脉冲。当某道由于振动在高 、低间往复变化 时，将交替产生 正向 和反

26、向 脉冲，这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影响（下面仪器的读数也将涉及这点）。 由此可见， 时钟发生器的频率应大于振动频率的可能 最大值。由图 4 还可看出，在原一个脉冲信号的周期内，得到了四个计数脉冲。例如，原每圈脉冲数为 1000 的编码器可产生 4倍频的脉冲数是 4000 个，其分辨率为 0.09。实际上 ，目前这类传感器产 品都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起， 所以只要加上细分与计数电路就可以组成一个角位移测量系统（ 74159 是 4-16 译码器）。三、应用中问题分析及改进措施（一）应用中问题分析光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场， 在

27、使用中暴露出许多缺陷， 其有内在因素也有外在因素，主要表现在以下几个方面： 1发射装置或接受装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移，导致接收装置不能可靠的接收到光信号， 而不能产生电信号。 例如； 光电编码器应用在轧钢调速 系统中，因光电编码器是直接用螺栓固定在电动机的外壳上， 光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动 机转轴相连接，因电动机所带负载是冲击性负载， 当轧机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动。 经测定；过钢时光电编码器振动速度为 2.6mm/s，这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能。造成误发 脉冲，从而导致控制系统不稳定或误动作，导致事故发生。2因光电检测装置安装在生产现场，受生

28、产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠 的工作。如安装部位温度高、 湿度大， 导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。 例如在连铸机送引锭跟踪系统，由于光电检测装置安装的位置靠近铸坯， 环境温度高而导致光电检测装置误发出信号 或损坏，而引发生产或人身事故。3生产现场的各种电磁干扰源，对光电检测装置产生的干扰，导致光电检测装置输出波形 发生畸变失真，使系统误动或引发生产事故。 例如；光电检测装置安装在生产设备本体， 其信号经电缆传输至控制系统的距离一般在 20m100m，传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电缆，但由于电缆的导线 电阻及线间电容的影响再加上和其他电缆同在一起敷设， 极易受到各

29、种电磁干扰的影响， 因此引起波形失真，从而使反馈到调速系统的信号与实际值的偏差，而导致系统精度下降。（二）改进措施1改变光电编码器的安装方式。光电编码器不在安装在电动机外壳上，而是在电动机的基础上制作一固定支架来独立安装光电编码器， 光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度， 两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接， 以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲击。 采用此方式后经测振仪检测，其振动速度降至 1.2mm/s 。2合理选择光电检测装置输出信号传输介质，采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性， 一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力， 因为空间电磁场在线

30、上产生的干扰电流可以互相抵消。 双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小， 两线对干扰线路的距离基本相等，两线对屏蔽网的分布电容也基本相同，这对抑制共模干扰效果更加明显。3利用 PLC 软件监控或干涉。 在连铸生产的送引锭过程要求光电检测装置产生有时序性的 电信号，同时，该信号与整个过程不同阶段相对应。如图 5。（1）送引锭过程启动前，光电信号 1为“1”。（ 2）送引锭过程启动后，在 A 阶段，辊道启动，引锭杆上送。当引锭杆挡住光电装置发射出的红外光时，光电信号为 “0；”当红外光透过引锭杆中部2 个小圆孔时，光电装置发出信号 2和3,均为“ 1。（ 3）送引锭过程在 B阶段，光电信

31、号为 “0”辊道停下，引锭杆暂停上送,扇形 10段压下,启动拉矫机和 “同步 1”,引锭杆继续上送。（ 4）送引锭过 程在 C 阶段,引锭杆上送,并不再挡住红外光,光电信号 4为“1,启动“同步2”,停下“同步 1”,引锭杆继续上送。至此光电装置工作过程结束。 根据光检测电装置的工作过程， 只要现场测定送引锭过程 中各个光电信号发生的时间，结合送引锭过程与光电信号的关系，利用 PLC 应用程序中的相关数据， 编制符合要求的PLC 程序，将 PLC 程序输出信号输入至 PLC 的输入模块，替代原光电信号的输入信号。其程序框图如图 6 所示。什么叫光电编码器光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电 机转子的位置信息的。 根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器 与增量式光电编码器，下面简单介绍下下绝对式光电编码器的的结构与工作原理做介绍。绝对式光电编码器的结构与工作原理绝对式光电编码器如图所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表