如何使用旋轉(zhuǎn)編碼器將機(jī)械旋轉(zhuǎn)快速轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)

在數(shù)字時(shí)代，有必要快速有效地測(cè)量電機(jī)或旋鈕上機(jī)械軸的旋轉(zhuǎn)。電位計(jì)和旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)等模擬方法被可直接數(shù)字化旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)編碼器取代。然而，設(shè)計(jì)者必須能夠理解不同編碼器類(lèi)型之間的差異，并準(zhǔn)確分析編碼器的數(shù)字輸出。



西安德伍拓自動(dòng)化接下來(lái)為大家介紹了旋轉(zhuǎn)編碼器的功能和工作原理，然后解釋如何解釋信號(hào)，最后介紹幾種編碼器解決方案及其實(shí)際應(yīng)用。

編碼器的功能

旋轉(zhuǎn)編碼器是測(cè)量機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)的傳感器。軸可以連接到電機(jī)上，編碼器讀取角位置或速度。您還可以讀取儀器或設(shè)備正面的刻度盤(pán)、按鈕或其他電子控制單元的角度位置，并更換電位計(jì)和旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)。

讓我們來(lái)看看家用電器上的定時(shí)器控制單元。在較早的模擬時(shí)間，可以使用可變電阻器或電位計(jì)測(cè)量ECU的位置。今天基于微處理器的設(shè)計(jì)允許編碼器產(chǎn)生更高效的數(shù)字輸入。

編碼器也可用于控制器中，以向移動(dòng)的機(jī)械部件提供反饋，以正確響應(yīng)控制命令。無(wú)論是在汽車(chē)或機(jī)器人設(shè)備的控制中，編碼器都可以為控制微處理器提供必要的檢測(cè)。舊的解決方案（如單圈電位計(jì)）無(wú)法檢測(cè)軸的完整旋轉(zhuǎn)，但旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測(cè)軸的完全旋轉(zhuǎn)而不會(huì)停止。

編碼器將這些機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將其發(fā)送至處理器進(jìn)行分析。根據(jù)編碼器的電功率，可以導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)方向、角位置和旋轉(zhuǎn)速度。編碼器的數(shù)字輸出比電位計(jì)更便于此過(guò)程。

編碼器的工作原理

編碼器主要有兩種類(lèi)型，增量編碼器和絕對(duì)編碼器。增量編碼器讀取角位移的變化，而絕對(duì)編碼器讀取編碼軸的絕對(duì)角度。它們使用三種常用技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即光學(xué)、機(jī)械或磁性技術(shù)。

光學(xué)編碼器設(shè)計(jì)有一個(gè)編碼盤(pán)，該編碼盤(pán)具有透光性和遮光性，可以讓光線通過(guò)特定區(qū)域。光電二極管在代碼盤(pán)的兩側(cè)使用LED和光電二極管（圖1）。光電二極管檢測(cè)流經(jīng)碼盤(pán)的光，并將光透射和陰影圖案的脈沖波形輸出到相應(yīng)的碼盤(pán)部分。

圖1：增量和絕對(duì)代碼盤(pán)示例。增量碼盤(pán)產(chǎn)生兩個(gè)方波信號(hào)，它們之間存在相位差。絕對(duì)碼盤(pán)輸出二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)。

圖1中的絕對(duì)代碼盤(pán)有四個(gè)輸出，為代碼盤(pán)上的每個(gè)部分提供唯一的二進(jìn)制代碼。在本例中，代碼為16（表1）。二進(jìn)制碼的替代方案是格雷碼，格雷碼是相鄰二進(jìn)制字之間只有一位差的二進(jìn)制碼。



表1：四位絕對(duì)編碼器的十六種二進(jìn)制狀態(tài)。

增量碼盤(pán)產(chǎn)生的模式由相位差為90°的兩個(gè)方波組成，稱(chēng)為正交輸出。這種功率也可以通過(guò)單線模式和兩個(gè)位移對(duì)應(yīng)于90°相移的光電傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

正交增量編碼器的輸出通常被稱(chēng)為“A”和“B”。編碼器還可以包含每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)脈沖的第三脈沖，稱(chēng)為索引脈沖，以提供已知的物理參考。通過(guò)將索引脈沖與正交輸出相結(jié)合，可以計(jì)算絕對(duì)軸方向。

通過(guò)以90°相移記錄兩個(gè)輸出，您不僅可以記錄角度旋轉(zhuǎn)，還可以記錄旋轉(zhuǎn)方向（圖2）。



圖2：正交信號(hào)之間的相位關(guān)系可以確定旋轉(zhuǎn)盤(pán)的運(yùn)動(dòng)方向。

當(dāng)編碼器軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，波形A傳導(dǎo)波形B。當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向變?yōu)槟鏁r(shí)針時(shí)，信號(hào)B傳導(dǎo)信號(hào)A。

使用兩個(gè)正交信號(hào)，可以分析每個(gè)循環(huán)的四個(gè)狀態(tài)。單個(gè)周期中的狀態(tài)為a=1和B=0、a=1、B=1、a=0和B=1，最后一個(gè)a=0、B=0。這意味著方形輸出編碼器的角分辨率是額定每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（PPR）的四倍。

通過(guò)在示波器上觀察和測(cè)量光學(xué)編碼器的正交輸出，可以確定輸出之間的相位關(guān)系（圖3）。A信號(hào)顯示在上軌道，而B(niǎo)信號(hào)顯示在下軌道。設(shè)置示波器相位參數(shù)P1以測(cè)量A和B信號(hào)之間的相位差。兩個(gè)信號(hào)之間的平均相位差為90.4?。


圖3：每轉(zhuǎn)512個(gè)脈沖的光學(xué)編碼器的正交輸出顯示了A和B信號(hào)輸出之間的相位關(guān)系。

在本例中，僅使用單個(gè)a輸出，因?yàn)榫幋a器用作轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器以測(cè)量電機(jī)速度。用示波器參數(shù)P2測(cè)量的A信號(hào)的頻率為28.87 kHz。將該值除以512脈沖/轉(zhuǎn)（PPR）轉(zhuǎn)換為軸速度，然后乘以60以獲得軸角速度（以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（RPM）為單位）。

基于這些數(shù)字，編碼器的512 PPR提供了0.7度的基本分辨率。通過(guò)分析A/B狀態(tài)，分辨率可達(dá)0.175?。

光學(xué)編碼器在所有編碼器類(lèi)型中具有最高的分辨率，這是它的天然優(yōu)勢(shì)。由于其低成本，它非常適合低價(jià)格的低端應(yīng)用。缺點(diǎn)是它們可能很笨重。

機(jī)械編碼器使用旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)，其中包含與光學(xué)編碼器相同圖案的同心環(huán)。在這些同心環(huán)中，圖案由導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)組成。固定電刷觸點(diǎn)滑動(dòng)到旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)上，并與每個(gè)環(huán)接觸，起到開(kāi)關(guān)的作用。當(dāng)碼盤(pán)表面上的觸點(diǎn)來(lái)回移動(dòng)時(shí)，它在刷導(dǎo)電區(qū)域時(shí)接觸，或者在刷絕緣區(qū)域時(shí)斷開(kāi)。通過(guò)這種方式，為每個(gè)環(huán)開(kāi)發(fā)一個(gè)數(shù)字圖案。

機(jī)械編碼器的一個(gè)可能的問(wèn)題是接觸抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致噪聲。這種噪聲可以通過(guò)低通濾波消除，或者在抖動(dòng)噪聲消失后使用軟件檢查輸出狀態(tài)。

機(jī)械編碼器通常是最便宜的編碼器。它們通常用作電子前面板上的用戶(hù)界面，以取代電位計(jì)。

磁性旋轉(zhuǎn)編碼器使用多極圓形磁鐵。交替的南北磁極由霍爾效應(yīng)或磁阻傳感器檢測(cè)，當(dāng)磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生正交電輸出。與光學(xué)編碼器一樣，磁性編碼器是非接觸式的，與接觸式機(jī)械編碼器相比，工作速度更快，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

編碼器的使用方法

編碼器的機(jī)械和電氣特性要求其連接到機(jī)械設(shè)備或由用戶(hù)操作。當(dāng)用作電子設(shè)備上的控制接口時(shí)，編碼器使用實(shí)心軸，通常通過(guò)與硬件相連的板安裝插座安裝在控制面板上。

設(shè)計(jì)師可以選擇支架等選項(xiàng)，以在編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生機(jī)械“咔嗒”噪音，從而給用戶(hù)提供編碼器波正在移動(dòng)的觸覺(jué)反饋。設(shè)計(jì)者還可以選擇短觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，通過(guò)按下編碼器軸來(lái)激活。

編碼器可安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)器（如電機(jī)或伺服電機(jī)）上，有兩種選擇：空心軸或盲軸（圖4）。


 圖4：空心或盲軸結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)編碼器用于安裝在電機(jī)或其他機(jī)電設(shè)備上。

空心軸編碼器安裝在電機(jī)或類(lèi)似機(jī)械設(shè)備的軸上。這確保了它與被監(jiān)控設(shè)備同心安裝，以避免不對(duì)稱(chēng)或角度誤差。盲軸是一個(gè)深度有限的空心軸，用于將編碼器安裝在電機(jī)軸的末端。

編碼器的選擇和應(yīng)用

編碼器的選擇取決于應(yīng)用要求、環(huán)境和成本限制。

CTS Electronic Components的291V1022F832AB是一款由5V電源供電的8-PPR角度光學(xué)增量編碼器（圖5）。291系列支持4至64 PPR的PPR分辨率，并提供不同的波型和長(zhǎng)度以及插孔選項(xiàng)。它還可以配備集成開(kāi)關(guān)。編碼器的額定工作時(shí)間可達(dá)三百萬(wàn)轉(zhuǎn)。


圖5:CTS 291V1022F832AB，帶典型螺紋襯套、鎖緊墊圈和鎖緊螺母，用作控制柜控制。

CTS 291系列光學(xué)編碼器是儀器控制應(yīng)用的理想選擇，包括醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、通信、工業(yè)、HVAC、交通、安全、音頻和家庭娛樂(lè)設(shè)備。

32-PPR到256-PPR增量磁編碼器，通過(guò)5V或3.3V電源工作。該設(shè)備是EMS22Q系列非接觸式編碼器的一員，支持32-256 PPR角分辨率。與以前的旋轉(zhuǎn)編碼器一樣，它有多種可用的軸和襯套配置，但額定旋轉(zhuǎn)時(shí)間為5000萬(wàn)轉(zhuǎn)。這些編碼器非常適合極端溫度、濕度和顆粒污染的惡劣工業(yè)環(huán)境。


此外，與許多編碼器一樣，該設(shè)備的連接和使用也很容易（圖6）。

圖6：引腳詳細(xì)信息EMS22Q51-D28-LT4（左屏幕截圖）和框圖顯示了256 PPR增量磁無(wú)觸點(diǎn)編碼器與微控制器的簡(jiǎn)單連接。

EMS22Q系列有六個(gè)引腳。一個(gè)電源引腳和一個(gè)接地引腳，一個(gè)連接到微控制器或微處理器的低效芯片，一個(gè)索引引腳和兩個(gè)數(shù)據(jù)引腳（A和B）。得到的正交輸出如圖7所示。


圖7：PPR范圍為32至256的EMS22Q正交輸出

機(jī)械編碼器對(duì)于廉價(jià)和業(yè)余應(yīng)用的開(kāi)發(fā)人員非常有用，例如TT Electronics的EN11-HSM1AF1520 PPR編碼器。編碼器是EN11系列，提供15或20-PPR角度分辨率、各種軸和插座長(zhǎng)度、可選開(kāi)關(guān)和各種插孔配置。編碼器由5V電源供電。其價(jià)格約為光學(xué)編碼器的十分之一，旋轉(zhuǎn)壽命為30000轉(zhuǎn)。

總結(jié)

旋轉(zhuǎn)編碼器可以快速有效地檢測(cè)前面板控制、機(jī)械臂或旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸的角度旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換以滿(mǎn)足相關(guān)要求。增量或絕對(duì)編碼器為微處理器或微控制器提供必要的接口，以檢測(cè)和控制機(jī)電系統(tǒng)組件。

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