如何使用旋轉編碼器將機械旋轉快速轉換為數(shù)字信號

在數(shù)字時代，有必要快速有效地測量電機或旋鈕上機械軸的旋轉。電位計和旋轉開關等模擬方法被可直接數(shù)字化旋轉運動的旋轉編碼器取代。然而，設計者必須能夠理解不同編碼器類型之間的差異，并準確分析編碼器的數(shù)字輸出。



西安德伍拓自動化接下來為大家介紹了旋轉編碼器的功能和工作原理，然后解釋如何解釋信號，最后介紹幾種編碼器解決方案及其實際應用。

編碼器的功能

旋轉編碼器是測量機械軸旋轉的傳感器。軸可以連接到電機上，編碼器讀取角位置或速度。您還可以讀取儀器或設備正面的刻度盤、按鈕或其他電子控制單元的角度位置，并更換電位計和旋轉開關。

讓我們來看看家用電器上的定時器控制單元。在較早的模擬時間，可以使用可變電阻器或電位計測量ECU的位置。今天基于微處理器的設計允許編碼器產生更高效的數(shù)字輸入。

編碼器也可用于控制器中，以向移動的機械部件提供反饋，以正確響應控制命令。無論是在汽車或機器人設備的控制中，編碼器都可以為控制微處理器提供必要的檢測。舊的解決方案（如單圈電位計）無法檢測軸的完整旋轉，但旋轉編碼器可以檢測軸的完全旋轉而不會停止。

編碼器將這些機械位移轉換為電信號，并將其發(fā)送至處理器進行分析。根據(jù)編碼器的電功率，可以導出旋轉方向、角位置和旋轉速度。編碼器的數(shù)字輸出比電位計更便于此過程。

編碼器的工作原理

編碼器主要有兩種類型，增量編碼器和絕對編碼器。增量編碼器讀取角位移的變化，而絕對編碼器讀取編碼軸的絕對角度。它們使用三種常用技術實現(xiàn)，即光學、機械或磁性技術。

光學編碼器設計有一個編碼盤，該編碼盤具有透光性和遮光性，可以讓光線通過特定區(qū)域。光電二極管在代碼盤的兩側使用LED和光電二極管（圖1）。光電二極管檢測流經碼盤的光，并將光透射和陰影圖案的脈沖波形輸出到相應的碼盤部分。

圖1：增量和絕對代碼盤示例。增量碼盤產生兩個方波信號，它們之間存在相位差。絕對碼盤輸出二進制編碼數(shù)據(jù)。

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



表1：四位絕對編碼器的十六種二進制狀態(tài)。

增量碼盤產生的模式由相位差為90°的兩個方波組成，稱為正交輸出。這種功率也可以通過單線模式和兩個位移對應于90°相移的光電傳感器來實現(xiàn)。

正交增量編碼器的輸出通常被稱為“A”和“B”。編碼器還可以包含每轉產生一個脈沖的第三脈沖，稱為索引脈沖，以提供已知的物理參考。通過將索引脈沖與正交輸出相結合，可以計算絕對軸方向。

通過以90°相移記錄兩個輸出，您不僅可以記錄角度旋轉，還可以記錄旋轉方向（圖2）。



圖2：正交信號之間的相位關系可以確定旋轉盤的運動方向。

當編碼器軸順時針旋轉時，波形A傳導波形B。當旋轉方向變?yōu)槟鏁r針時，信號B傳導信號A。

使用兩個正交信號，可以分析每個循環(huán)的四個狀態(tài)。單個周期中的狀態(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脈沖數(shù)（PPR）的四倍。

通過在示波器上觀察和測量光學編碼器的正交輸出，可以確定輸出之間的相位關系（圖3）。A信號顯示在上軌道，而B信號顯示在下軌道。設置示波器相位參數(shù)P1以測量A和B信號之間的相位差。兩個信號之間的平均相位差為90.4?。


圖3：每轉512個脈沖的光學編碼器的正交輸出顯示了A和B信號輸出之間的相位關系。

在本例中，僅使用單個a輸出，因為編碼器用作轉速計數(shù)器以測量電機速度。用示波器參數(shù)P2測量的A信號的頻率為28.87 kHz。將該值除以512脈沖/轉（PPR）轉換為軸速度，然后乘以60以獲得軸角速度（以每分鐘轉數(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。通過分析A/B狀態(tài)，分辨率可達0.175?。

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

機械編碼器使用旋轉碼盤，其中包含與光學編碼器相同圖案的同心環(huán)。在這些同心環(huán)中，圖案由導電區(qū)和絕緣區(qū)組成。固定電刷觸點滑動到旋轉碼盤上，并與每個環(huán)接觸，起到開關的作用。當碼盤表面上的觸點來回移動時，它在刷導電區(qū)域時接觸，或者在刷絕緣區(qū)域時斷開。通過這種方式，為每個環(huán)開發(fā)一個數(shù)字圖案。

機械編碼器的一個可能的問題是接觸抖動會導致噪聲。這種噪聲可以通過低通濾波消除，或者在抖動噪聲消失后使用軟件檢查輸出狀態(tài)。

機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界面，以取代電位計。

磁性旋轉編碼器使用多極圓形磁鐵。交替的南北磁極由霍爾效應或磁阻傳感器檢測，當磁體旋轉時產生正交電輸出。與光學編碼器一樣，磁性編碼器是非接觸式的，與接觸式機械編碼器相比，工作速度更快，持續(xù)時間更長。

編碼器的使用方法

編碼器的機械和電氣特性要求其連接到機械設備或由用戶操作。當用作電子設備上的控制接口時，編碼器使用實心軸，通常通過與硬件相連的板安裝插座安裝在控制面板上。

設計師可以選擇支架等選項，以在編碼器旋轉時產生機械“咔嗒”噪音，從而給用戶提供編碼器波正在移動的觸覺反饋。設計者還可以選擇短觸點開關，通過按下編碼器軸來激活。

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


 圖4：空心或盲軸結構的旋轉編碼器用于安裝在電機或其他機電設備上。

空心軸編碼器安裝在電機或類似機械設備的軸上。這確保了它與被監(jiān)控設備同心安裝，以避免不對稱或角度誤差。盲軸是一個深度有限的空心軸，用于將編碼器安裝在電機軸的末端。

編碼器的選擇和應用

編碼器的選擇取決于應用要求、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度以及插孔選項。它還可以配備集成開關。編碼器的額定工作時間可達三百萬轉。


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系列光學編碼器是儀器控制應用的理想選擇，包括醫(yī)療和實驗室設備、通信、工業(yè)、HVAC、交通、安全、音頻和家庭娛樂設備。

32-PPR到256-PPR增量磁編碼器，通過5V或3.3V電源工作。該設備是EMS22Q系列非接觸式編碼器的一員，支持32-256 PPR角分辨率。與以前的旋轉編碼器一樣，它有多種可用的軸和襯套配置，但額定旋轉時間為5000萬轉。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，該設備的連接和使用也很容易（圖6）。

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

EMS22Q系列有六個引腳。一個電源引腳和一個接地引腳，一個連接到微控制器或微處理器的低效芯片，一個索引引腳和兩個數(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

機械編碼器對于廉價和業(yè)余應用的開發(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、各種軸和插座長度、可選開關和各種插孔配置。編碼器由5V電源供電。其價格約為光學編碼器的十分之一，旋轉壽命為30000轉。

總結

旋轉編碼器可以快速有效地檢測前面板控制、機械臂或旋轉電機軸的角度旋轉，并進行數(shù)字轉換以滿足相關要求。增量或絕對編碼器為微處理器或微控制器提供必要的接口，以檢測和控制機電系統(tǒng)組件。

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