《2022年编码器工作原理,光电编码器的工作原理研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年编码器工作原理,光电编码器的工作原理研究.docx（16页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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 , 光电编码器的工作原理分析编码器工作原理肯定脉冲编码器 :APC 增量脉冲编码器 :SPC 两者一般都应用于速度掌握或位置掌握系统的检测元件 . 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 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
2、固信号；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 相在前仍是 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,其热稳固性好,精度高,金属码盘直接以通和不通刻线,不易碎,但由于金属有肯定的厚度,精度就有限制,其热稳固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、热稳固性、寿命均要差一些；辨论率 编码器以每旋转360 度供应多少的通或暗刻线称为辨论率,也称解读分度、或直接称多少线,一般在每转分度510000线；信号输出 : 信
3、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1 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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、运算机, PLC 和运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
4、定正反向和测速；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,电流对于电缆奉献的电磁场为 0,衰减最小,抗干扰正确,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 150M ；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 300M ；编码器的定义与功能：在数字系统里,经常需要将某一信息 输入）变换为某一特定的代码 输出）；把二进制码按肯定的规律编排,例如 8421 码、格雷码等,使每组代码具有一特定的含义 , GS 为掌握使能标志；对功能表和规律电路进行分析,都可得
5、知：该编码器为输入低电平有效；在按下 S0S9 中任意一个键时 ,即输入信号中有一个为有效电平常,GS 1,代表有信号输入,而只有 S0 S9 均为高电平常 GS0,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形下输出都是全 0 的问题；3 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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）之间应满意关系式 N2n；2.编码器的每个输入端都代表一个二进制数、十进制
6、数或其它信息符号,而且在 N 个输入端中每次只答应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.正确使用编码器的掌握端,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；光栅盘是在肯定直径的圆板上等分地开通如干个长方形孔；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如干脉冲信号,其原理示意图如图 1 所示；通过运算每秒光
7、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,为判定旋转方向,码盘仍可供应相位相差90o 的两路脉冲信号；依据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式；依据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、肯定式以及混合式三种；一）增量式编码器4 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,从而可便利地判定出旋转方向,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洁,机械平均寿命可在几万小
8、时以上,抗干扰才能强,牢靠性高,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）肯定式编码器肯定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如干同心码道,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；明显,码道越多,辨论率就越高,对于一个具有 N 位二进制辨论率的编码器,其码盘必需有 N 条
9、码道；目前国内已有 16 位的肯定编码器产品；肯定式编码器是利用自然二进制或循环二进制 葛莱码）方式进行光电转换的；肯定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,肯定编码器可有如干编码,依据读出码盘上的编码,检测肯定位置；编码的设计可采纳二进制码、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肯定值；2没有累积误差；3电源切除后位置信息不会丢失；但是辨论率是由二进制的位数来打算的,也就是说精度取决于位数,目前有 10 位、 14 位等多种；三）混合式肯定值编码器混合式肯定值编码器,它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置,带有肯定信息功能；另一组就完全同增量式
10、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,工作牢靠,接口数字化等优点；它广泛应用于数控机床、回转台5 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 、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） EPC755A 光电编码器的应用EPC755A 光电编码器具备良好的使用性能,在角度测量、位移测量时抗干扰才能很强,并具有稳固可靠的输出脉冲信号,且该脉冲信号经计数后可得到被测
11、量的数字信号；因此,我们在研制汽车驾驶模拟器时,对方向回旋转角度的测量选用EPC755A 光电编码器作为传感器,其输出电路选用集电极开路型,输出辨论率选用 360 个脉冲 /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
12、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,通道 A 输出波形比通道 B 输出波形推迟 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,选用辨论率为 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
13、 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 2048LD 信号）；如此,当方向盘顺时针旋转时,计数 电路的输出范畴为20482948,当方向盘逆时针旋转时,计数电路的输出范畴为20481148；计数电路的6 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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
14、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,如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纳旋转式光电编码器,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,肯定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,其码盘比肯定编码器码盘要简洁得多且辨论率更高；一般只需要三条码道,这里的码道实际上已不具有肯定编码器码道的意义,而是产生计数脉冲；它的码盘的外道和中间道有数目相同匀称分布
15、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,给计数系统供应一个初始的零位信号）；从 A ,B 两个输出信号的相位关系 超前或滞后）可判定旋转的方向；当码盘正转时,A 道脉冲波形比 B 道超前 /2,而反转时,A 道脉冲比 B 道滞后 /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,增量编码器是依据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向
16、和相对角位移量；通常,如编码器有 N 个码道）输出信号,其相位差为 / 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,这种情形显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 “ 低”之间的来回变化状态,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形）；7 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 是一个既能防止误脉冲又能提高辨论率的四倍频细分电路；在这里,
17、采纳了有记忆功能的 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,如两者相同,就表示时钟间隔中无变化；否就,可以根据两者关系判定出它的变化方 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 反向 脉冲,这在对两个计数器取代数和时就可排除它们的影响 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 仍可看出,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
18、冲数为 1000的编码器可产生4 倍频的脉冲数是4000 个,其辨论率为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,在使用中暴露出很多缺陷,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惊等缘由而引起的移位或偏移,导致接收装置不能牢靠的接收到光信号,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
19、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,从而导致掌握系统不稳固或误动作,导致事故发生；2因光电检测装置安装在生产现场,受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能牢靠的工作；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转变或损坏；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；8 / 1
20、2 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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掌握系统的距离一般在 20m 100m,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转变光电编码器的安装方式；光电编码器不在安装
21、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需处于同一水平高度,两轴采纳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；采纳此方式后经测振仪检测,其振动速度降至 1.2mm/s；2合理挑选光电检测装置输出信号传输介质,采纳双绞屏蔽电缆取代一般屏蔽电缆；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才能,由于空间电磁场在线上产生的干扰电流可以相互抵消；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,这对抑制共模干扰成效更加明显；
22、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；当引锭杆拦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” ,引锭杆连续上送；4）送引锭过程在 C 阶段,引锭杆上送,并不再拦住红外光,光电信号 4
23、 为 “ 1”,启动 “同步 2” ,停下 “同步 1” ,引锭杆连续上送；至此光电装置工作过程终止；依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9 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 信号发生的时间,结合送引锭过程与光电信号的关系,利用 的PLC 应用程序中的相关数据,编制符合要求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
24、的位置信息的；依据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为肯定式光电编码器与增量式光电编码器,下面简单介绍下下肯定式光电编码器的的结构与工作原理做介绍；肯定式光电编码器的结构与工作原理肯定式光电编码器如下列图,他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示肯定位置信息的；编码盘是依据肯定的编码形式制成的圆盘；图1是二进制的编码盘,图中空白部分是透光的,用“ 0”来表示；涂黑的部分是不透光的,用“ 1”来表示；通常将组成编码的圈称为码道,每个码道表示二进制数的一位,其中最外侧的是最低位,最里侧的是最高位；假如编码盘有 4 个码道,就由里向外的码道分别表示为二进制的 23、22、21 和 20,4
25、位二进制可形成 16 个二进制数,因此就将圆盘划分 16 个扇区,每个扇区对应一个 4位二进制数,如 0000、0001 、 、1111；图 1 依据码盘上形成的码道配置相应的光电传感器,包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路；当码盘转到肯定的角度时,扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通,输出低电平“ 0”,遮光的码道对应的光敏二极管不导通,输出高电平“ 1”,这样形成与编码方式一样的高、低电平输出,从而获得扇区 的位置脚；光电编码器原理光电编码器,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,是目 前应用最多的传感器；一般的光电编码器主要由光栅盘和光电检测装
26、置组成；在伺服系统中,由于光电码10 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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如干脉冲信号,其原理如下列图；通过运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,为判定旋转方向,码盘仍可供应相位相差 90 的 2 个通道的光码输出,依据双通道光码的状态变化确定电机的转向；依据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式；依据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、肯定式以及混合式 3 种；编码器
27、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；光栅盘是在肯定直径的圆板上等分地开通如干个长方形孔；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如干脉冲信号,其原理示意图如图 1 所示；通过运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；1.1 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90 海佣煞奖愕嘏卸铣鲂较颍鳽相为每转一个脉冲,用于基准点定位；
28、它的优点是原理构造简洁,机械平均寿命可在几万小时以上,抗干扰才能强,牢靠性高,适合于长距离传输；其缺点是无法输出轴转动的肯定位置信息；1.2 肯定式编码器肯定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如干同心码道,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,各光敏元件依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；明显,码道越多,辨论率就越高,对于一个具有
29、 N 位二进制分辨率的编码器,其码盘必需有 N 条码道；目前国内已有 16 位的肯定编码器产品；肯定式编码器是利用自然二进制或循环二进制 葛莱码）方式进行光电转换的；肯定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,肯定编码器可有如干编码,依据读出码盘上的编码,检测肯定位置；编码的设计可采纳二进制码、循环码、二进制补码等；它的特点是：1.2.1 可以直接读出角度坐标的肯定值；1.2.2 没有累积误差；1.2.3 电源切除后位置信息不会丢失；但是辨论率是由二进制的位数来打算的,也就是说精度取决于位数,目前有 10 位、 14 位等多种；1.3 混合式肯定值编码器混合式肯定值编码器,它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置,带有肯定信息功能；另一组就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,工作牢靠 , 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；11 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 12 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 12 页