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旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理詳解

閱讀：1810 發(fā)布時(shí)間：2020-12-17

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過內(nèi)部兩個(gè)光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時(shí)序和相位關(guān)系,，得到其角度碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負(fù)方向）,。在接合數(shù)字電路特別是單片機(jī)后，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測量和角速度測量較式旋轉(zhuǎn)編碼器更具有廉價(jià)和簡易的優(yōu)勢,。

下面對(duì)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的內(nèi)部工作原理

A,B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)兩個(gè)光敏接受管,，A,B兩點(diǎn)間距為 S2 ,角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。

當(dāng)角度碼盤以某個(gè)速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),，那么可知輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)際圖的S0：S1：S2比值相同,，同理角度碼盤以其他的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)際圖的S0：S1：S2比值仍相同。如果角度碼盤做變速運(yùn)動(dòng),，把它看成為多個(gè)運(yùn)動(dòng)周期（在下面定義）的組合,，那么每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)際圖的S0：S1：S2比值仍相同。

通過輸出波形圖可知每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的時(shí)序?yàn)?/span>

我們把當(dāng)前的A,B輸出值保存起來,，與下一個(gè)A,B輸出值做比較,，就可以輕易的得出角度碼盤的運(yùn)動(dòng)方向，如果光柵格S0等于S1時(shí),，也就是S0和S1弧度夾角相同,，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度碼盤運(yùn)動(dòng)位移角度為S0弧度夾角的1/2,，除以所消毫的時(shí)間,，就得到此次角度碼盤運(yùn)動(dòng)位移角速度。

S0等于S1時(shí),，且S2等于S0的1/2時(shí),，1/4個(gè)運(yùn)動(dòng)周期就可以得到運(yùn)動(dòng)方向位和位移角度，如果S0不等于S1,，S2不等于S0的1/2,，那么要1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期才可以得到運(yùn)動(dòng)方向位和位移角度了。

我們常用的鼠標(biāo)也是這個(gè)原理哦,。

根據(jù)檢測原理,，編碼器可分為光學(xué)式、磁式,、感應(yīng)式和電容式,。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式,、式以及混合式三種,。

1.1增量式編碼器
增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相,；A,、B兩組脈沖相位差90º，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向,，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖,，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單,，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上,，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高,，適合于長距離傳輸,。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的位置信息,。

光電編碼器分類和選擇
　
光電編碼器是利用光柵衍射原理實(shí)現(xiàn)位移—數(shù)字變換的，從50年代開始應(yīng)用于機(jī)床和計(jì)算儀器,，因其結(jié)構(gòu)簡單,、計(jì)量精度高、壽命長等優(yōu)點(diǎn),，在國內(nèi)外受到重視和推廣,。近年來更取得長足的發(fā)展，在精密定位,、速度,、長度、加速度,、振動(dòng)等方面得到廣泛的應(yīng)用,。

光電編碼器按編碼方式分為二類：增量式與式。

1,、增量式編碼器特點(diǎn)：
增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),，有相應(yīng)的脈沖輸出，其計(jì)數(shù)起點(diǎn)任意設(shè)定,，可實(shí)現(xiàn)多圈無限累加和測量,。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會(huì)輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定,。需要提高分辯率時(shí),，可利用 90 度相位差的 A,、B 兩路信號(hào)進(jìn)行倍頻或更換高分辯率編碼器,。

2、式編碼器特點(diǎn)：
式編碼器有與位置相對(duì)應(yīng)的代瑪輸出,，通常為二進(jìn)制碼或 BCD 碼,。從代碼數(shù)大小的變化可以判別正反方向和位移所處的位置，零位代碼還可以用于停電位置記憶,。式編碼器的測量范圍常規(guī)為 0—360 度,。
速度計(jì)與長度計(jì)一般采用增量式編碼器，以下就其參數(shù)范圍作簡要的介紹,，供選型參考,。

（1）光柵線數(shù)：

（2）輸出方式：
常規(guī)有五種輸出方式：

集電極開路輸出（通用型）
互補(bǔ)輸出
電壓輸出
長線驅(qū)動(dòng)器輸出
UVW 輸出

（3）工作電壓：常規(guī)有以下幾種：
5V、12V,、24V,、5-24V（通用型）、5-30V

（4）防護(hù)性能：常規(guī)為防油,、防塵,、抗震型。

（5）彈性聯(lián)接器：編碼器軸與用戶軸聯(lián)接時(shí)，存在同軸誤差,，嚴(yán)重時(shí)將損壞編碼器,。要求采用彈性聯(lián)接器（編碼器廠家提供選件），解決偏心問題,，一般可以做到允許扭矩 <1N.m, 不同軸度<0.2mm,，軸向偏角 <1.5度。
彈性聯(lián)軸器常用規(guī)格為：

（6）安裝使用及注意事項(xiàng)：
編碼器屬于高精密儀器,，安裝時(shí)不得敲擊和碰撞,。軸端聯(lián)接避免鋼性聯(lián)接，而應(yīng)采用彈性聯(lián)軸器,、尼龍齒輪或同步帶聯(lián)接傳動(dòng),。使用轉(zhuǎn)速不要超過標(biāo)稱轉(zhuǎn)速，否則會(huì)影響電氣信號(hào),。

光電編碼器的簡單認(rèn)識(shí)

　
光電編碼器,，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用多的傳感器,，光電編碼器的工作原理如圖所示,，在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側(cè),，安放發(fā)光元件和光敏元件,。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化,，光敏元件輸出波形經(jīng)過整形后變?yōu)槊}沖,，碼盤上有之相標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖,。此外,，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90º的兩路脈沖信號(hào),，

根據(jù)檢測原理,，編碼器可分為光學(xué)式、磁式,、感應(yīng)式和電容式,。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式,、式以及混合式三種,。

1、增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A,、B和Z相,；A,、B兩組脈沖相位差90º，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向,，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖,，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單,，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上,，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高,，適合于長距離傳輸,。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的位置信息。

2,、式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的,。式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形,，編碼器可有若干編碼,，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測位置,。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼,、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等,。它的特點(diǎn)是：

（1）可以直接讀出角度坐標(biāo)的值,；
（2）沒有累積誤差；
（3）電源切除后位置信息不會(huì)丟失,。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的,，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有10位,、14位等多種,。

3,、混合式值編碼器,，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有信息功能,；另一組則*同增量式編碼器的輸出信息,。

光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量,，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量,，具有體積小，精度高,，工作可靠,接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn),。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床,、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng),、機(jī)器人,、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中,。

增量型和值旋轉(zhuǎn)編碼器

一,、增量型旋轉(zhuǎn)編碼器
軸的每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，增量型編碼器提供一定數(shù)量的脈沖,。

周期性的測量或者單位時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)可以用來測量移動(dòng)的速度,。

如果在一個(gè)參考點(diǎn)后面脈沖數(shù)被累加，計(jì)算值就代表了轉(zhuǎn)動(dòng)角度或行程的參數(shù),。雙通道編碼器輸出脈沖A,、B之間相差為90O，能使接收脈沖的電子設(shè)備接收軸的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)信號(hào),，因此可用來實(shí)現(xiàn)雙向的定位控制,；另外，三通道增量型旋轉(zhuǎn)編碼器每一圈產(chǎn)生一個(gè)稱之為零位信號(hào)的脈沖（Z）,。

二,、增量型值旋轉(zhuǎn)編碼器

值編碼器為每一個(gè)軸的位置提供一個(gè)編碼數(shù)字值。特別是在定位控制應(yīng)用中,，值編碼器減輕了電子接收設(shè)備的計(jì)算任務(wù),，從而省去了復(fù)雜的和昂貴的輸入裝置：而且，當(dāng)機(jī)器合上電源或電源故障后再接通電源,，不需要回到位置參考點(diǎn),，就可利用當(dāng)前的位置值。

單圈值編碼器把軸細(xì)分成規(guī)定數(shù)量的測量步,，大的分辨率為13位,，這就意味著大可區(qū)分8192個(gè)位置+多圈值編碼器不僅能在一圈內(nèi)測量角位移，而且能夠用多步齒輪測量圈數(shù),。多圈的圈數(shù)為12位,，也就是說大4096圈可以被識(shí)別?？偟姆直媛士蛇_(dá)到25位或者33,，554，432個(gè)測量步數(shù),。并行值旋轉(zhuǎn)編碼器傳輸位置值到估算電子裝置通過幾根電纜并行傳送,。

假設(shè)串行值編碼器，輸出數(shù)據(jù)可以用標(biāo)準(zhǔn)的接口和標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議傳送,，同時(shí)在過去點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接實(shí)現(xiàn)了串行數(shù)據(jù)傳送,。

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