本节介绍增量式、绝对式、混合式编码器的结构及原理

文章目录

编码器
- 增量式码盘
- - 原理
  - 寻零
  - 分辨率与倍频电路
  - 总结
- 绝对值码盘
- - 原理
  - 编码改进
  - 总结
- 混合式码盘

一些精密仪器和电子设备需要检测其运动状态，除了前面提到的旋转变压器以外，还有更加精密的选择：编码器和光栅

编码器

编码器俗称码盘，是机械与电子结合的精密测量器件。一般用于检测旋转角度、移动距离和旋转或移动的速度。

其工作原理是将信息刻在码盘上，通过光电原理或电磁原理将码盘的机械转角转换成脉冲或数字形式输出。
根据其结构和原理可以分为：

旋转式、直线式
接触式、光电式、电磁式

根据输出信号的基本形式，可以分为：

增量式：机械角->周期性电信号->计数脉冲。通过脉冲个数表示位移大小
绝对式：机械角->数字码。通过数字码识别当前所处的位置

增量式码盘

原理

光电式编码器一般由透镜、码盘、光敏元件和放大整形电路组成。
对于增量式编码器，还有光阑板。

光线穿过码盘窄缝和光阑板窄缝，照射到光电传感器上。当码盘转动时，光强随转角周期性变化，每转过一个节距L为一个周期。取光电传感器输出信号的基波，则可以用正弦信号来表示光电传感器的输出。

根据两组光阑板，产生相位差为90度的两路信号，经过逻辑电路处理后就可以判别转动方向。进一步处理可以得到转角和转速。

假设编码器如上图，信号处理的原理：

首先将光电传感器输出信号进行整形，变为01逻辑信号。以B组光栅信号为基准，如果正转，则b高电平区间a从0变1；如果反转，则b高电平区间a从1变0。可以利用反相、微分、取与的逻辑运算，分出正转脉冲和反转脉冲。

每输出一个脉冲，表示码盘转过了一个节距，对应一个固定的角度。将正、反转脉冲送入可逆计数器的加、减计数端，求得脉冲数 N N N，每个脉冲对应角度增量 Δ \Delta Δ，则角位移增量 N Δ N\Delta NΔ

寻零

但光输出角度增量是不够的，如果想要输出角位置，还必须事先规定一个零位（也称基准零点、绝对位置）。
对于这个零位，有单独的一条透光狭缝，并有对应的输出Z。

再回过来看这个结构图，实际上A B两组光阑板是刻在一起的，另一个光阑板是为寻零准备的，其对应的码盘上的狭缝也与A B不同。之前的画法是为了解释原理方便。

转角不受限时，向一个方向转，在一圈之内一定可以得到零位脉冲。
转角受限时，先向一个方向转，如果到达限位处仍未得到零位脉冲，则反转。在另一处限位之前一定可以得到零位脉冲。（如果得不到说明设计或者装配有问题）

更快速的寻零方法

刻多条零位刻线，不等距分布。读取两个相邻零位脉冲之间的正反转脉冲数，结合对应的旋转方向、角度，即可计算出绝对零位。

分辨率与倍频电路

一个脉冲对应的转角表示码盘的分辨率和静态误差
Δ θ = 360 ° 每转脉冲数 \Delta\theta\displaystyle = \frac{360\degree}{每转脉冲数} Δθ=每转脉冲数360°
由此可知，码盘的分辨率首先取决的那盘旋转一圈所产生的脉冲数，码盘窄缝越多，分辨率和精度就越高（但相应的码盘直径也越大，造价越高）

在不增加码盘窄缝数量的情况下提高码盘分辨率，可以使用倍频电路(也称电子细分电路)

例如：四分频电路逻辑图

使用四分频，计数脉冲频率提高四倍，步距减小为原来的1/4
如果信号足够接近正余弦波形，可以调整整形电路的跳变电压，来得到更高的分频，进一步提高测量精度

总结

每输出一个脉冲信号，对应转过一个固定角度，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据是固定的。
「也就是这个角度的整数倍，而不能出现非整数倍」
采用固定脉冲信号，旋转角度的起始位置可以任意设定
「也就是每个脉冲对应的旋转角度恒定，不管零位窄缝在哪里，不影响使用」
采用相对编码，若旋转角度数据丢失，需要重新定位(寻零)
「也就是在不知道零位时输出的脉冲只能用来测速。必须搭配零位才能计算出角度」

优点

精度高，且可通过倍频电路进一步提高
结构简单，成本较低
既可测角，也可测速
无接触式测量，可靠性高、寿命长

缺点

开机后必须寻零
误差不会自行消除。若由于干扰而丢失脉冲或窜入脉冲，将产生累计误差
需要计数器、速度有一定限制

绝对值码盘

也叫绝对式编码器。以数码的形式输出信号，用来表示某一个绝对位置。根据起点和终点的绝对位置之差，可以运算出位移量。

原理

绝对式编码器由码盘、光源、光敏元件组成。
码盘按照扇形分区，扇形上有一系列同心圆的光学码道。每个码道按照一定的编码规律，分为透明和不透明的区域。

当光源的光透过码盘被接收，则输出1
当光源的光被码盘遮挡，则输出0
那么每一个扇形的分区就对应了一个二进制的编码，而每一个编码又对应了一个转角，因此读出各个码道输出的编码组合就可以表示出码盘所在的位置。

如上图采用二进制编码。有几个码道，二进制就有几位
用 N N N表示码道数目，则角度分辨率
Δ θ = 360 ° / 2 N \Delta \theta=360\degree/2^N Δθ=360°/2N

编码改进

采用二进制编码会存在0000->1111之类的大幅度跳变，如果制造精度不够，就有可能出现各种干扰项

也就是在短时间内，输出的角度值会发生多次跳变，造成很大的误差

为了解决这个问题，采用循环码编码（也称格雷码）

相邻的格雷码只有一位不同，因此即使制造过程中存在误差，也不会引入其他的信号，不会造成大幅度跳变的误差。

总结

优点：

精度高、无接触、寿命长
不需要寻零，从输出数码可直接获得角度信号
没有累计误差，即使某一次数码信号受到干扰，下一次仍能输出正确的数码。
不需要计数器、允许转速高

缺点

结构复杂，体积大
价格贵

混合式码盘

是一种新型绝对值码盘，但同时含有增量码盘的结构。
绝对值码盘码道较少，精度较低，起粗测作用，增量码盘部分起精测作用

其优点：

输出模拟信号，抗干扰能力优于脉冲信号
通电即可读取绝对位置，不必寻零
采用增量码盘结构，可以对输出信号进行倍频，进一步提高精度
相比与同精度的绝对值码盘，体积更小

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