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1、旋转编码器的原理及其应用摘要：本文介绍了常用编码器的原理、分类以及其应用的注意事项，并以德国P+F公司的编码器产品为参照，重点 介绍了增量型编码器和绝对值型编码器的原理及应用，其中绝对值型编码器中以格雷码为主作了详细的介绍。 关键词：编码器 增量型 绝对值 格雷码一、前言在自动化领域，旋转编码器是用来检测角度、速度、长度、位移和加速度的传感器。 依靠轴杆、齿轮、测量轮或绳缆的控制，线性的移动能被检测。编码器也把实际的机械 参数值转换成电气信号，这些电气信号可以被计数器、转速表、PLC和工业PC处理。二、功能原理由玻璃或塑料制成的圆盘被分成透明和非透明的区域，如果一个光源固定在圆盘的 一侧，光敏
2、元件固定在另一侧，旋转的移动没有接触就可获得。如果一束光打在透明的 区域，接收器接收到，产生脉冲，当光束被 黑色区域隔断式，不产生脉冲。发光二极管 通常用作光源，发光范围在红外线范围内， 光敏二极管或光敏晶体管作为接收器。（见 右图）如果按照此原理没有其它功能加入的 话，仅能推论出圆盘在转动，旋转的感应或 绝对值位置不能被确定。编码器根据它们的功能原理和机械形式 和安装系统有不同的区别。1、功能原理1.1 增量型旋转编码器轴的每圈转动，增量型编码器提供一定数量的脉冲，周期性的测量或者单位时间内 的脉冲数可以用来测量移动的速度。如果在一个参考点后面脉冲数被累加，计算值就代 表了转动角度或行程的参
3、数。双通道编码器输出脉冲之间相差 900。能使接收脉冲的电 子设备接收轴的旋转感应信号，因此可用来实现双向的定位控制。另外，三通道增量型 编码器每一圈产生一个称之为零位信号的脉冲。旋转增量型编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来计算其位置，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 数设备计算并记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的产生 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
4、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，开机找零等方法。这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确 位置），于是就有了绝对编码器的出现。1.2 绝对值旋转编码器绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以 2 线、 4 线、 8 线、 16 线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2 的 零次方到 2 的 n-1 次方的唯一的 2 进制编码（格雷码），这就称为 n 位绝对编码器。这 样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。特别是在定位 控制应用中，绝对值编码器减轻了电子接
5、收设备的计算任务，从而省去了复杂的和昂贵 的输入装置。而且，当机械合上电源或电源故障后再接通电源，不需要回到位置参考点， 就可利用当前的位置值。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，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。旋转单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当 转动超过 360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码 只能用于旋转范围 360 度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。如果要测量旋转超过 360 度范围，就要用到多圈
6、绝对值编码器。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。单圈绝对值编码器把轴细分成规定数量的测量步，最大分辨率为 13 位，也就是最 大可区分 8192 个位置。多圈绝对值编码器不仅能在一圈内测量角位移，而且能
7、利用多 部齿轮测量圈数。多圈的圈数为12 位，也就是说最大4096 圈可以被识别。总的分辨率 可以达到 25 位或 33554432 个测量步数。并行绝对值旋转编码器传输位置直到估算电子 装置通过几根电缆并行传送。2、旋转编码器的分类2.1 根据设计和安装系统区分2.1.1 实心轴编码器这些编码器配置了一个结实的轴，编码器用附加的柔性连接器连接到驱动轴上。 柔性连接器用来机械连接两个机械轴并且补偿两轴水平偏差。其他可能连接编码器到驱 动轴上为：皮带、小齿轮、测量轮和缆绳牵引。应当注意：允许的轴负载应当看清。取决于连接器的类型，存在着不同的高风险， 那就是在轴向或径向上强加在轴上的力过多，将会损
8、坏编码器。实心轴编码器的优点：结构简单、可以有更高的防护等级、机械上提供不同连接法 兰、电气上可提供不同连接插头实心轴编码器的弱点：安装部件过多：编码器、安装法兰、连接器2.1.2 轴套型编码器用这种结构，编码器的轴为连续的通孔空心轴或者凹型孔轴套型式。编码器和驱动 轴可以用编码器的轴套和弹簧连接片轻而易举的连接。轴套型编码器继承了转矩支撑，可以用来补偿编码器与驱动装置的水平误差。因此 不必做一个补偿联轴器。轴套型编码器的优点：编码器驱动系统安装的时间短、简单的安装步骤 轴套型编码器的弱点：内部结构比较复杂、振动2.2 根据机械安装区分 旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装
9、置安装等多种形式。2.2.1 高速端安装：安装于动力马达转轴端（或齿轮连接），此方法优点是分辨率高，由于多圈编码器有 4096 圈，马达转动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物 体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向控制定位。另外编码器直接安装于高速端，马达抖动须较小，不然易损坏编码器。2.2.2 低速端安装： 安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端，此方法已无齿轮来回程间隙，测量较直接，精度较高。如果卷筒转动圈数过多，可用 1：3或1：4 齿轮组调整至转数测量范围内。2.2.3 辅助机械安装： 辅助机械安装形式较多，比较常见的是利
10、用钢丝绳弹簧收紧器原理实现的检测，这里简单介绍用钢丝绳收绳器测量油缸行程和重锤浮子水位测量的原理。用钢丝绳收绳器测量油缸行程的原 理示意图见右图，收绳机械有弹簧自收 绳位移传感器柔性钢丝绳连接运动 物体，钢丝绳盘紧在一个测量轮上，依 靠恒力弹簧回收钢丝绳。编码器连接于 盘紧测量轮轴端，测量钢丝绳来回运动 的旋转角度。4、瞬收释重锤浮子水位测量的原理示意图见右图，测量轮与恒 力弹簧弹簧型相似，只是钢丝绳的回收力是依靠另一个同 轴的盘紧轮挂重锤来回收。用收绳位移测量的优点是柔性 连接，测量直接而精度高，对运动物体的环境如震动、粉 尘、高温水气的场合都能适用。3、旋转编码器的使用注意事项旋转编码器在
11、使用中最重要的问题是抗干扰问题，干 扰的抑制取决于正确的屏蔽。在现场，安装错误时有发生。 经常是屏蔽线只接了一边，并且用一个导线把他焊在接地 端子上，这种处理方式只是在LF(低频)工程中才有效，然 而这就不符合EMC中关于HF(高频)信号的规则在高频工程中一个基本的目标是在不可能低的阻抗 下传递HF(高频)能量到大地，否则能量会释放到电缆上。低阻抗可通过表面积大的导线连接到金属表面上来实现。具体措施有如下几点：(1) 以较大的面积两边连接屏蔽线到一个“公共地”(2) 屏蔽在绝缘层的后面是以较大的面积夹紧(3) 万一电缆连接到螺钉型段子，屏蔽层必须连接到接地端(4) 如果使用插头，只能用金属的插
12、头(类似于金属外壳的 D 型插头)请把屏蔽层直接 连接到外壳。三、增量型编码器应用增量型旋转编码器是只输出脉冲的旋转编 码器。分辨率(Z)和每转脉冲数用于计算角位 移。信号频率可以用来决定角速度()，另外， 周期的瞬间改变可以用来计算角加速度。3.1 用增量型旋转编码器监视旋转方向 为了检测移动和旋转方向，脉冲扫描原理 接收器有 A、B 两个通道。旋转的方向可以通 过A、B两相电气上相差900(见右图)辨别。在顺时针方向旋转(CW)通道A超前于通道B。CCW代表反时针旋转。旋转方向以面对轴的方向看为基准。3.2 零位信号要使实际的测量值或脉冲计数更准确，须利用一 个附加计数单元。这个单元可以是
13、计数器和控制单元 或转速表。如果要检测的不单单是一圈，需要一个每圈只有 一个脉冲的其他信号。这个信号（第三通道）是用于参考 的零位信号或通道N。零位信号频繁用于参考信号。右图所示为增量型编码器的第三通道示意图。r - I- I I -| - t3.3 反相通道 反相通道是为了提高信号的传送距离，额外的使 A、B和N通道反相。这种传送标准特性符合RS422接口，并且 推挽式输出也可以自选反相输出。（见右图）这种传送的优点是：如 果一个干扰脉冲过来，它将 在电缆上引起感应，如果电 缆芯为双绞线，脉冲干扰将 被差分去掉。操作原理见右 图。3.4 脉冲乘法脉冲乘法主要是用于增量型编码器在低的输出频 率
14、情况下增加测量的脉冲数。增量型编码器的信号可 以用通道A和通道B进行双信频或四信频（见下图）例如：在速度为3000min-i情况下需要每圈20000 脉冲测量应用。如果计数单元为（PLC，计数器，转速I I I I I I I I I I I I I I I I表）提供四信频功能。那么用廉价的 5000 脉冲增量型编码器就可以。另外编码器的输出频率也减小了。（见 右图）（1）没有四信频的乘法：1MHZ （这个频率对于许多 计数单元来说太高）（2）有四信频的乘法： 250KHZ3.5 实际工作速度与输出频率之间的关系表达式f=n/60sXZn 用 min-1I IIIIIII Ii i r -1
15、 - i i i i - r i i i i i i i i i i i i i i i i i3.6 接口n =f X 60s/Zmax maxfmax 用 HZ，n 用 min-1max3.6.1 线驱动（RS422）这种堆成的接口推荐使用与干扰较严重 的场合或电缆长度很长的要求。所用电缆必须 为双绞线以实现最大的干扰抑制。这种接口方 式也可用于替代TTL接口，如果是这种情况, 翻转的信号将不需要。 （见右图）3.6.2脉冲输出推挽式输出组合了 NPN 和 PNP 输出方 式。相比与开路集电极输出，推挽式输出突出了它的提高脉冲上升沿。另外抗干扰能力也增 加。用NPN或PNP是不需要另外接线。另外输出具有反相通道后提高了抗干扰能力。这种输出的主要应用场合是中等的开关 频率范围。0C输出可以用这种方式替代。在 这种情况下输出不需要翻转。 （见右图）四、绝对值编码器的应用船rm绝对值编码器不产生脉冲，而是一串数据 链。一个非常简单的方法是直接从编码盘上读 取轴的位置。取决于不同的输出接口，数据可以以并行方式或串行方法传送。4.1 单圈型编码器 这种单圈型绝对值编码器的码值之反映一圈值，即把3600 等分成最大8192 个测量 步。这种编码器转完一圈后，代码由开始重现。因此这种编码器无法区别到地转了多少 圈。4.2 多圈型编码器 在单圈编码器上配置一个齿轮，由于这个
