编码器

编码器学习笔记，种类介绍和基本原理。 什么是编码器？编码器将旋转位置的改变转换为电气信号。种类有模拟量编码器和数字编码器。

编码器

• 什么是编码器？
  • 编码器将旋转位置的改变转换为电气信号。
• 种类
  • 模拟量编码器
    • 旋转变压器
      • SIN/COS
    • 正余弦编码器
      • SIN/COS
    • 磁电式增量编码器
      • SIN/COS
  • 数字编码器
    • 按工作原理分类
      • 磁电式编码器
      • 光电式编码器
    • 按码盘刻孔方式分类
      • 增量编码器
        • 光电式增量编码器
          • A,A;B,B;Z,Z
      • 绝对值编码器
        • 自然二进制码
        • 格雷码或BCD码
• 光电增量编码器
  • 组成
    • 码盘、发光管、光电接收管和整形电路
  • 硬件实现
    • 码盘镀上了挡光材料，同时沿码盘一周均匀刻画出N 条通光窗口，即码道。则码盘转过一圈，将产生N次 的通光和遮光。光电接收管接收到光线号后产生电流 信号，电流再经过放大整形电路转换成数字脉冲信号。 由于码盘跟随电机轴转动，对脉冲进行计数即可求得位置的增量信息或者求得单位时间内的转速。
  • 软件实现
    • 如下图 通道A和通道B的信号的周期相同，且相位相差1/4个周期，结合两相的信号值：当B相和A相先是都读到高电平（1 1），再B读到高电平，A读到低电平（1 0），则为顺时针转当B相和A相先是都读到低电平（0 0），再B读到高电平，A读到低电平（1 0），则为
      • • 除通道A、通道B 以外，还会设置一个额外的通道Z 信号，表示编码器特定的参考位置（应该是一圈输出）
  • 决定精度要素
    • 光电编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃
      • 玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性及精度可以达很高，但容易碎。 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宽度要求 ，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃码盘差一个数量级。 塑料码盘是经济型的，其成本低，精度、热稳定性、寿命都有一定的差距。
  • 倍频
  • 应用场景
    • 测速
    • 测转动方向
    • 测移动角度
    • 距离（相对）
• 光电编码器
  • 绝对式编码器的每个位置都有唯一的编码。不像增量式编码器通过计算偏离原点的脉冲数来得到位置，绝对式编码器可以直接读取到位置信息。 单圈 原理：只能得到一圈内的位置信号 应用场景：凸轮轴 多圈 原理：单圈的加上对运行圈数的计量（机械多圈和伪多圈（电池）） 应用场景：位置定位
  • 种类
    • 单圈(360°内工作)
    • 多圈(NX360度)
  • 什么是绝对值编码器
    • 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，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、数据的可靠性高了。
  • 单圈绝对值(360°内工作)
    • 只能用于旋转范围360度以内的测量，转动超过360度时，编码又回到原点。称为单圈绝对值编码器 。
    • 硬件实现
      • 光码盘上有N圈光通道刻线，每圈刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排，通过读取每圈刻线的通、暗，获得2的N次个唯一位置的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点。
    • 位置唯一编码
  • 多圈绝对值(NX360度)
    • 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 。
    • 硬件实现
      • 在单圈设计的基础上，设计出可以读取多圈绝对位置的多圈绝对式编码器
    • 检测圈数的方式
      • 机械绝对计圈
        • 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，圈数有范围限制，例如现在较多的4096圈和65536圈两种。
      • 电子增量计圈
        • 通过电池记忆圈数，实际上是单圈绝对，多圈增量，好处是省掉了一组机械齿轮，经济、体积小且没有圈数限制，似乎也不错，但是他毕竟是多圈增量的，不能算真正意义上的绝对值
  • 应用场景
    • 长度测量
    • 定位控制
• 磁编编码器
  • 什么是霍尔式编码器？
    • 经常也被称为磁电式编码器，是一种角度或者位移测量装置
  • 工作原理
    • • 其原理是采用磁阻或者霍尔元件对 变化的磁性材料的角度或者位移值进行测量。磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化， 通过放大电路对变化量进行放大，通过单片机处理后输出脉冲信号或者模拟量信号，达到测量的目的。
  • 精度
    • 磁性转盘的磁极数，磁阻传感器的数量及信号处理的方式决定了磁性编码器的分辨率。
  • 特点
    • 磁场信号不会受到灰尘，湿气，高温及振动的影响。
• 旋转变压器（模拟编码）
  • 旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变
    • 因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系。
  • 优点
    • 相比于前面得光电编码器，旋转变压器更是适用于各种恶劣的外部环境，如油污污染，大震动环境。
  • 缺点
    • 模拟量传输易受噪音干扰，分辨率不高
• 编码器参数
  • 分辨率
    • 指编码器能够分辨的最小单位
      • 对于增量式编码器，其分辨率表示为编码器转轴旋转一圈所产生的脉冲数，即脉冲数/转(Pulse Per Revolution 或PPR)。
      • 对于绝对式编码器，内部码盘所用的位数就是它的分辨率，单位是位(bit)，具体还分单圈分辨率和多圈分辨率。
  • 精度
    • 指编码器每个读数与转轴实际位置间的最大误差，通常用角度、角分或角秒来表示
    • 精度由码盘刻线加工精度、转轴同心度、材料的温度特性、电路的响应时间等各方面因素共同决定
  • 最大响应频率
    • 指编码器每秒输出的脉冲数，单位是Hz。计算公式为：
    • 最大响应频率= 分辨率* 轴转速/60
  • 信号输出形式
    • 常见有推拉输出（F型HTL格式），电压输出（E），集电极开路（C，常见C为NPN型管输出，C2为PNP型管输出），长线驱动器输出。其输出方式应和其控制系统的接口电路相匹配。

编码器

• 增量编码器( Incremental Encoder)
  • 输出内容
    • 输出相对值（旋转角的变化量输出脉冲）
  • 停止时的应对
    • 接通电源时需要原点复归动作。
  • 价格
    • 结构较简单，价格低。
  • 结构
  • 补充说明
    • 该装置的旋转圆盘上设有很多光学槽，使发光二极管的光通过固定槽，再利用光电二极管检测该光束，并将槽的位置转换为电信号。
• 绝对编码器( Absolute Encoder)
  • 输出内容
    • 输出绝对值（旋转角度的绝对值）
  • 停止时的应对
    • 接通电源时无需原点复归动作。
  • 价格
    • 结构较复杂，价格高。
  • 结构
  • 补充说明
    • 在电机轴上安装绝对编码器，即可随时检测电机轴的固定位置。由于不需要脉冲计数，故接通电源时无需原点复归动作。