编码器基本原理PPT.pptx

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1、会计学1编码器基本原理编码器基本原理第一页，共18页。编码器按其检测原理分为电磁式、接触式、光电式等。编码器按其检测原理分为电磁式、接触式、光电式等。光电式编码器具有非接触和体积小的特点，分辨率高，它作为精密位移光电式编码器具有非接触和体积小的特点，分辨率高，它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前我国已有目前我国已有2323位光电编码器，为科学研究、军事、航天和工业生产提位光电编码器，为科学研究、军事、航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段。供了对位移量进行精密检测的手段。旋转式编码器又分为增量旋转式编码器

2、又分为增量(zn lin)(zn lin)式编码器和绝对式编码器。式编码器和绝对式编码器。增量增量(zn lin)(zn lin)式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行累计计数，一般还需要基准数据即零位基准才能完成角位系统对脉冲进行累计计数，一般还需要基准数据即零位基准才能完成角位移测量。移测量。第1页/共18页第二页，共18页。绝对式编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数绝对式编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出。字码输出。1 1 增量型编码器（增量型编码器（

3、incremental encoderincremental encoder）增量型编码器每转一周可产生增量型编码器每转一周可产生(ch(ch nshng)nshng)一系列的脉冲，脉冲的数量可表示角位移的测量。一系列的脉冲，脉冲的数量可表示角位移的测量。编码器内有一圆盘编码器内有一圆盘编码盘。通常为一光学玻璃，码盘最外圈的码道上均布有相当数量编码盘。通常为一光学玻璃，码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光的扇形区域，用来产生的透光与不透光的扇形区域，用来产生(ch(ch nshng)nshng)记数脉冲的增量码道，扇形区的多少决记数脉冲的增量码道，扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇

4、形区越多定了编码器的分辨率，扇形区越多第2页/共18页第三页，共18页。分辨率越高。例如：一个每转5000的增量形编码器，其码盘上共有5000个透光和不透光的扇形区域。这个(zh ge)码盘被安装到编码器的旋转轴上增量 式 编码器的码盘刻线间距均等，对应每一个分辨率区间，可输出一个增量脉冲。第3页/共18页第四页，共18页。光源发出平行且定向(dn xin)的光束照到码盘上，光敏元件接受被调制的光线，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，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。用一些

5、数字电子元器件将信号放大，并整形出正交波的脉冲系列，由电缆传出。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是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。第4页/共18页第五页，共18页。可辨向光栅盘结构和辨向原理如图可辨向光栅盘结构和辨向原理如图2 2，有，有A A相、相、B B相和相和Z Z相三条环带。相三条环带。A A相和相和B B相在码盘上互相错半个区域，在相在码盘上互相错半个区域，在相位上相差相位上相差1/41/4周期，在波形上相差周期，在波形上相差900900，即相互垂直。，即相互垂直。利用利用B B相的上升沿触发相的上升沿触发(chf)(chf)

6、检测检测A A相的状态，由此相的状态，由此判断旋转方向。当码盘以某个方向匀速旋转时判断旋转方向。当码盘以某个方向匀速旋转时(如如CW),ACW),A相超前相超前B B相首先导通相首先导通;当码盘反方向当码盘反方向(CCW)(CCW)匀速旋匀速旋转时，转时，A A相滞后于相滞后于B B相。相。第5页/共18页第六页，共18页。采用简单的逻辑电路判断编码器输出的采用简单的逻辑电路判断编码器输出的A A相和相和B B相输相输出脉冲出脉冲(michng)(michng)时序便可确定码盘的旋转方向。并时序便可确定码盘的旋转方向。并且对且对A A相或者相或者B B相的输出脉冲相的输出脉冲(michng)(

7、michng)进行计数统计，进行计数统计，得出旋转的角位移或者角速度。如果码盘做变速运动，得出旋转的角位移或者角速度。如果码盘做变速运动，可把它看做多个运动周期的组合，其辨向方法和速度可把它看做多个运动周期的组合，其辨向方法和速度计算方法相同。计算方法相同。Z Z相脉冲相脉冲(michng)(michng)用来设置码盘旋转用来设置码盘旋转每周的清零，作为轴的初始位置计算当前的角度每周的清零，作为轴的初始位置计算当前的角度(360(360。范围内范围内)。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于在几万小时以上，抗

8、干扰能力强，可靠性高，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长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。息。第6页/共18页第七页，共18页。第7页/共18页第八页，共18页。2 2、绝对型编码器（旋转型）、绝对型编码器（旋转型）绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以每道刻线依次以2 2线、线、4 4线、线、8 8线、线、1616 线线编排，编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从线的通、暗，获得一组从2 2的零次方到的零次方到2 2的的n-1n-1次

9、次方的唯一的方的唯一的2 2进制编码（格雷码），这就称为进制编码（格雷码），这就称为n n位位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械绝对编码器。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。位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯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，而且不用一一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么直计数，什么(shn me)(shn me)时候需要知道位置，什时候需要知道位置，什么么(shn me)(shn me)时候就去读取它的位置。这样，编时候就去读取它的位置。这样，

10、编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。第8页/共18页第九页，共18页。3 3、光电编码器、光电编码器 光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘码圆盘(码盘码盘)、狭缝以及安装在圆盘两边的光、狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成，基本结构如图源和光敏元件等组成，基本结构如图1 1所示。所示。码盘由光学玻码盘由光学玻璃制成，其上到有许多同璃制成，其上到有许多同心码道，每位码道上都有心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗不透光部分，即亮区和暗区。码盆构造如

11、图区。码盆构造如图2 2所示，所示，它是一个它是一个(y(y )8)8位二进制码盘。位二进制码盘。当光源将光投射在码盘上当光源将光投射在码盘上第9页/共18页第十页，共18页。时，转动码盘，通过亮区的光线经狭缝后，时，转动码盘，通过亮区的光线经狭缝后，由光敏元件所接收。光敏由光敏元件所接收。光敏元件的排列与码道一一对元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前光敏元件输出的信号，前者为者为“1”“1”，后者为，后者为“0”“0”。当。当码盘旋至不同码盘旋至不同(b tn)(b tn)位置时，光位置时，光敏元件输出信号的组合反敏元件输出信号的组合反映出

12、按一定规律编码的数映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角字量，代表了码盘轴的角位移大小。位移大小。第10页/共18页第十一页，共18页。编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。图2所示的8位二进制码盘，员内困码盘一半透光，一半不透光最外圈一共(ygng)分成28256个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。第11页/共18页第十二页，共18页。例如零位对应例如零位对应(duyng)(duyng)于于000000(000000(全黑全黑)；第；第2323个方位对应个方位对应(duyng)(duyng)于于0l01110l0111。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止

13、位置，就可以确定角位移，而与转动的这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个中间过程无关。一个n n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为360360 2n2n。若若n n6 6，则，则 5.6 5.6 如要达到如要达到11左右的分辨率，至少采用左右的分辨率，至少采用2020位的码盘，对于一个位的码盘，对于一个刻划直径为刻划直径为400 mm400 mm的的2020位码盆，其外因分划间隔不到位码盆，其外因分划间隔不到1.2m1.2m。采用二进制编码器时，任何微小的制作误差都可能造成读数的粗误差。主要采

14、用二进制编码器时，任何微小的制作误差都可能造成读数的粗误差。主要第12页/共18页第十三页，共18页。是二进制码当某一较高的数码改变时，所有比是二进制码当某一较高的数码改变时，所有比是二进制码当某一较高的数码改变时，所有比是二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码需同时它低的各位数码需同时它低的各位数码需同时它低的各位数码需同时(tngsh)(tngsh)改变如果由于改变如果由于改变如果由于改变如果由于到划误差等原因，某一较高位提前或延后改变，到划误差等原因，某一较高位提前或延后改变，到划误差等原因，某一较高位提前或延后改变，到划误差等原因，某一较高位提前或延后改变，就会造成粗误差

15、。就会造成粗误差。就会造成粗误差。就会造成粗误差。为了清除粗误差，可用循环码代替二进制码。为了清除粗误差，可用循环码代替二进制码。为了清除粗误差，可用循环码代替二进制码。为了清除粗误差，可用循环码代替二进制码。图图图图3 3所示是一个所示是一个所示是一个所示是一个6 6位的循环码码盘，对于位的循环码码盘，对于位的循环码码盘，对于位的循环码码盘，对于n n位循环位循环位循环位循环码码盘，与二进制码一样，具有码码盘，与二进制码一样，具有码码盘，与二进制码一样，具有码码盘，与二进制码一样，具有2n2n种不同编码，种不同编码，种不同编码，种不同编码，最小分辨率最小分辨率最小分辨率最小分辨率 36036

16、02n2n。第13页/共18页第十四页，共18页。表表1 1给出了四位二进制码与循环码的对照给出了四位二进制码与循环码的对照表。从表中看出，循环码是一种无权码，从表。从表中看出，循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位编码发生变任何数变到相邻数时，仅有一位编码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，只可能有一个码道出现读数误差，产太大，只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。所以生的误差最多等于最低位的一个比特。所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，不会产生粗误差。

17、由于这一原因使得循环码不会产生粗误差。由于这一原因使得循环码码盘获得码盘获得(hud)(hud)了广泛的应用。了广泛的应用。第14页/共18页第十五页，共18页。循环码是一种无权码，这给译码造成一定困难。通常(tngchng)先将它转换成二进制码然后再译码。按表1所列，可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为：或：式中：R表示循环码；C表示二进制码第15页/共18页第十六页，共18页。表1 四位(s wi)二进制码与循环码对照表十进数二进制循环码十进数二进制循环码000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011

18、101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000第16页/共18页第十七页，共18页。根据上式用与非门构成循环码一二进制码根据上式用与非门构成循环码一二进制码转换器，这种转换器所用元件比较多。如采用转换器，这种转换器所用元件比较多。如采用存储器芯片可直接把循环码转换成二进制码。存储器芯片可直接把循环码转换成二进制码。大多数编码器都是单盘的，全部码道则在大多数编码器都是单盘的，全部码道则在一个圆盘上，但如要求有很高的分辨率时，码一个圆盘上，但如要求有很高的分辨率时，码盘制作困难，因盘直径增大盘制作困难，因盘直径增大(zn(zn d)d)，而且精，而且精度也难以达到。这时可采用双盘编码器，它的度也难以达到。这时可采用双盘编码器，它的特点是由两个分辨率较低的码盘组合而成为高特点是由两个分辨率较低的码盘组合而成为高分辨率的编码器。分辨率的编码器。第17页/共18页第十八页，共18页。