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liuweihong
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樓主  發表于: 2010-04-14 12:54


一、旋轉編碼器的原理和特點:
旋轉編碼器是集光機電技術于一體的速度位移傳感器。當旋轉編碼器軸帶動光柵盤旋轉時,經發光元件發出的光被光柵盤狹縫切割成斷續光線,并被接收元件接收產生初始信號。該信號經后繼電路處理后,輸出脈沖或代碼信號。其特點是體積小,重量輕,品種多,功能全,頻響高,分辨能力高,力矩小,耗能低,性能穩定,可靠使用壽命長等特點。
1、增量式編碼器
增量式編碼器軸旋轉時,有相應的相位輸出。其旋轉方向的判別和脈沖數量的增減,需借助后部的判向電路和計數器來實現。其計數起點可任意設定,并可實現多圈的無限累加和測量。還可以把每轉發出一個脈沖的Z信號,作為參考機械零位。當脈沖已固定,而需要提高分辨率時,可利用帶90度相位差A,B的兩路信號,對原脈沖數進行倍頻。

 
2、絕對值編碼器
絕對值編碼器軸旋轉器時,有與位置一一對應的代碼(二進制,BCD碼等)輸出,從代碼大小的變更即可判別正反方向和位移所處的位置,而無需判向電路。它有一個絕對零位代碼,當停電或關機后再開機重新測量時,仍可準確地讀出停電或關機位置地代碼,并準確地找到零位代碼。一般情況下絕對值編碼器的測量范圍為0~360度,但特殊型號也可實現多圈測量。

3、正弦波編碼器
正弦波編碼器也屬于增量式編碼器,主要的區別在于輸出信號是正弦波模擬量信號,而不是數字量信號。它的出現主要是為了滿足電氣領域的需要-用作電動機的反饋檢測元件。在與其它系統相比的基礎上,人們需要提高動態特性時可以采用這種編碼器。
為了保證良好的電機控制性能,編碼器的反饋信號必須能夠提供大量的脈沖,尤其是在轉速很低的時候,采用傳統的增量式編碼器產生大量的脈沖,從許多方面來看都有問題,當電機高速旋轉(6000rpm)時,傳輸和處理數字信號是困難的。在這種情況下,處理給伺服電機的信號所需帶寬(例如編碼器每轉脈沖為10000)將很容易地超過MHz門限;而另一方面采用模擬信號大大減少了上述麻煩,并有能力模擬編碼器的大量脈沖。這要感謝正弦和余弦信號的內插法,它為旋轉角度提供了計算方法。這種方法可以獲得基本正弦的高倍增加,例如可從每轉1024個正弦波編碼器中,獲得每轉超過1000,000個脈沖。接受此信號所需的帶寬只要稍許大于100KHz即已足夠。內插倍頻需由二次系統完成。
二、輸出信號
1、信號序列
一般編碼器輸出信號除A、B兩相(A、B兩通道的信號序列相位差為90度)外,每轉一圈還輸出一個零位脈沖Z。。
當主軸以順時針方向旋轉時,按下圖輸出脈沖,A通道信號位于B通道之前;當主軸逆時針旋轉時,A通道信號則位于B通道之后。從而由此判斷主軸是正轉還是反轉。

正弦輸出編碼器輸出的差分信號如下圖所示:

2、零位信號
編碼器每旋轉一周發一個脈沖,稱之為零位脈沖或標識脈沖,零位脈沖用于決定零位置或標識位置。要準確測量零位脈沖,不論旋轉方向,零位脈沖均被作為兩個通道的高位組合輸出。由于通道之間的相位差的存在,零位脈沖僅為脈沖長度的一半。
3、預警信號
有的編碼器還有報警信號輸出,可以對電源故障,發光二極管故障進行報警,以便用戶及時更換編碼器。
三、輸出電路
1、NPN電壓輸出和NPN集電極開路輸出線路
  此線路僅有一個NPN型晶體管和一個上拉電阻組成,因此當晶體管處于靜態時,輸出電壓是電源電壓,它在電路上類似于TTL邏輯,因而可以與之兼容。在有輸出時,晶體管飽和,輸出轉為0VDC的低電平,反之由零跳向正電壓。
隨著電纜長度、傳遞的脈沖頻率、及負載的增加,這種線路形式所受的影響隨之增加。因此要達到理想的使用效果,應該對這些影響加以考慮。集電極開路的線路取消了上拉電阻。這種方式晶體管的集電極與編碼器電源的反饋線是互不相干的,因而可以獲得與編碼器電壓不同 的電流輸出信號。

2、PNP和PNP集電極開路線路
   該線路與NPN線路是相同,主要的差別是晶體管,它是PNP型,其發射極強制接到正電壓,如果有電阻的話,電阻是下拉型的,連接到輸出與零伏之間。


3、推挽式線路
  這種線路用于提高線路的性能,使之高于前述各種線路。事實上,NPN電壓輸出線路的主要局限性是因為它們使用了電阻,在晶體管關閉時表現出比晶體管高得多的阻抗,為克服些這缺點,在推挽式線路中額外接入了另一個晶體管,這樣無論是正方向還是零方向變換,輸出都是低阻抗。推挽式線路提高了頻率與特性,有利于更長的線路數據傳輸,即使是高速率時也是如此。信號飽和的電平仍然保持較低,但與上述的邏輯相比,有時較高。任何情況下推挽式線路也都可應用于NPN或PNP線路的接收器。

4、長線驅動器線路
當運行環境需要隨電氣干擾或編碼器與接收系統之間存在很長
的距離時,可采用長線驅動器線路。數據的發送和接收在兩個互補
的通道中進行,所以干擾受到抑制(干擾是由電纜或相鄰設備引起的)。這種干擾可看成“共模干擾”。此外,總線驅動器的發送和接收都是以差動方式進行的,或者說互補的發送通道上是電壓的差。因此對共模干擾它不是第三者,這種傳送方式在采用DC5V系統時可認為與RS422兼容;在特殊芯片時,電源可達DC24V,可以在惡劣的條件(電纜長,干擾強烈等)下使用。

5、差動線路
差動線路用在具有正弦長線驅動器的模擬編碼器中,這時,要求信號的傳送不受干擾。像長線驅動器線路那樣,對于數字信號產生兩個相位相差180度的信號。這種線路特意設置了120歐姆的特有線路阻抗,它與接收器的輸入電阻相平衡,而接收器必須有相等的負載阻抗。通常,在互補信號之間并聯連,120歐姆的終端電阻就達到了這種目的。

四、常用術語
■輸出脈沖數/轉
旋轉編碼器轉一圈所輸出的脈沖數發,對于光學式旋轉編碼器,通常與旋轉編碼器內部的光柵的槽數相同(也可在電路上使輸出脈沖數增加到槽數的2倍4倍)。
■分辨率
分辨率表示旋轉編碼器的主軸旋轉一周,讀出位置數據的最大等分數。絕對值型不以脈沖形式輸出,而以代碼形式表示當前主軸位置(角度)。與增量型不同,相當于增量型的“輸出脈沖/轉” 。
■光柵
光學式旋轉編碼器,其光柵有金屬和玻璃兩種。如是金屬制的,開有通光孔槽;如是玻璃制的,是在玻璃表面涂了一層遮光膜,在此上面沒有透明線條(槽)。槽數少的場合,可在金屬圓盤上用沖床加工或腐蝕法開槽。在耐沖擊型編碼器上使用了金屬的光柵,它與金屬制的光柵相比不耐沖擊,因此在使用上請注意,不要將沖擊直接施加于編碼器上。
■最大響應頻率
是在1秒內能響應的最大脈沖數
(例:最大響應頻率為2KHz,即1秒內可響應2000個脈沖)
公式如下
最大響應轉速(rpm)/60×(脈沖數/轉)=輸出頻率Hz
■最大響應轉速
是可響應的最高轉速,在此轉速下發生的脈沖可響應公式如下:
最大響應頻率(Hz)/ (脈沖數/轉)×60=軸的轉速rpm
■輸出波形
輸出脈沖(信號)的波形。
■輸出信號相位差
二相輸出時,二個輸出脈沖波形的相對的的時間差。
■輸出電壓
指輸出脈沖的電壓。輸出電壓會因輸出電流的變化而有所變化。各系列的輸出電壓請參照輸出電流特性圖
■起動轉矩
使處于靜止狀態的編碼器軸旋轉必要的力矩。一般情況下運轉中的力矩要比起動力矩小。
■軸允許負荷
表示可加在軸上的最大負荷,有徑向和軸向負荷兩種。徑向負荷對于軸來說,是垂直方向的,受力與偏心偏角等有關;軸向負荷對軸來說,是水平方向的,受力與推拉軸的力有關。這兩個力的大小影響軸的機械壽命
■軸慣性力矩
該值表示旋轉軸的慣量和對轉速變化的阻力
■轉速
該速度指示編碼器的機械載荷限制。如果超出該限制,將對軸承使用壽命產生負面影響,另外信號也可能中斷。
■格雷碼
格雷碼是高級數據,因為是單元距離和循環碼,所以很安全。每步只有一位變化。數據處理時,格雷碼須轉化成二進制碼。
■工作電流
指通道允許的負載電流。
■工作溫度
參數表中提到的數據和公差,在此溫度范圍內是保證的。如果稍高或稍低,編碼器不會損壞。當恢復工作溫度又能達到技術規范
■工作電壓
編碼器的供電電壓。

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