简析增量式编码器组成及其工作原理

增量式编码器能以数字形式确定轴相对于某个基准点的瞬时角位置,也可以用于测量角速度。

  角度数字编码器码盘的材料根据与之配套的敏感元件不同而不同。码盘的内孔由安装于被测轴的轴径所决定,码盘的外径由码盘上的码道数决定,而码道的数目由分辨率决定。如若码道数目为n,则分辨率为1/2n。码道的宽度由敏感元件的几何参数和物理特性决定。角度数字编码器有两种基本类型:绝对式编码器和增量式编码器。

  和绝对式编码器相对应的是增量式编码器。增量式编码器能以数字形式确定轴相对于某个基准点的瞬时角位置,也可以用于测量角速度。

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增量式编码器


  1)增量式编码器的组成

  增量式编码器由码盘、敏感元件和计数电路组成,现分述如下:

  (1)码盘

  为绝对式编码器系统研究的大部分技术也适用于增量式编码器,只是码盘的构成不同。增量式编码器向码盘设立了内轨道和外轨道,外轨道有两个轨道:第一个外轨道是增量计数轨道,它根据分辨率的大小设置扇形区,即只有一位轨道;第二个外轨道是方向轨道,它和计数轨道有相同数目的扇形区,只是移动了半个扇形区。如果一个周期是两个扇形区(导电-不导电),那么这两个轨道的输出相差90°(电角度),或超前,或滞后,用于识别是顺时针旋转,还是逆时针旋转,从而决定计数器作减法计数,还是作加法计数。内轨道称基准轨道,它只有一个单独标志的扇形区,用于提供基准点,其输出脉冲将用来使计数器归编码器的能指示绝对位置的二进制码或循环码,它的每一个位的“1”输出,只是角位移的增量。下图示出了增量编码器的轨道和输出的关系。


增量编码器的轨道和输出的关系图

  (2) 敏感元件

  增量式编码器的敏感元件可以采用绝对编码器中的任一种。可以是接触式的(电刷),也可以是非接触式的(光电系统或磁电系统)。因此,它们要和码盘相适应。

  (3)计数器

  增量式编码器由于计算的是角位移的增量,所以为了计算相对于某个基准位置角位移的实际大小和方向,必须设置一个计数器。送到计数器的计数脉冲,由施密特触发电路输出。

  2)增量式编码器的工作原理

  下图是增量式编码器的电路原理图和施密特触发器的真值表。


增量式编码器的电路原理图和施密特触发器的真值表

  从以上两图可以看出,考虑加法计数时,其敏感元件运动方向从左向右。计数轨道的输出从逻辑“0”变到逻辑“1”的这一跳变加到双稳态触发器的J输入端,并且只有当方向轨道的K输入端为逻辑“0”时,这个跳变才能将触发器的输出端Q触发到逻辑“1”。这种情况仅出现在“加法”计数方向上。触发器必须用“方向”输出端从逻辑“0”到逻辑“1”的跳变来进行归零。于是,只有当“计数”和方向脉冲交替地反馈给触发器时,加到计数器的“加法”计数脉冲才启动。这个过程可以通过研究真值表中标号(4种状态)为1,2,3和4的各情况而得到验证。根据双稳触发器改变状态的瞬间,方向脉冲是负值这个事实,可用来将“加法计数”信号(逻辑“1”)通过一个倒相器送到计数器本身。在“减法计数”的情况下,“计数”脉冲从逻辑“0”变到逻辑“1”也产生一个单次输出脉冲,但它只是当方向“脉冲”为逻辑“1”时才发生。在这一瞬间,计数器接到一个“减法”指令。用真值表校验位置A,B,C和D即可验证这一逻辑是正确的。

  在应用增量编码器来测量速度时,要注意最大测速范围受触发器产生的单次脉冲宽度的限制。此脉冲宽度应小于一个位所占时间的一半。单次脉冲的典型宽度为4〜6μs,其上升时间和恢复时间为200ns。对于一个每转有5000个脉冲的编码器,最大测速为2000r/min;对于一个每转有1200个脉冲的编码器,最大测速约为5000r/min。这就是说,单用一个码盘,测速范围和分辨率要综合考虑。

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