編碼器的工作原理，它的作用有哪些？

編碼器是一種將信號(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)編譯并轉(zhuǎn)換為可用于通信、傳輸和存儲(chǔ)的波形的設(shè)備。Hengstler編碼器將角位移或線位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，前者稱為碼盤(pán)，后者稱為碼尺。根據(jù)讀取方法，亨士樂(lè)編碼器可分為兩種類型：接觸式和非接觸式；根據(jù)工作原理，編碼器可分為兩種類型：增量型和絕對(duì)型。


增量編碼器將位移轉(zhuǎn)換為周期性電信號(hào)，然后將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖，脈沖數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)編碼器的每個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的數(shù)字代碼，因此其指示僅與測(cè)量的開(kāi)始和結(jié)束位置有關(guān)，與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。

Hengstler編碼器將角位移或線位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，前者成為碼盤(pán)，后者稱為碼尺。根據(jù)讀取方法，編碼器可分為兩種類型：接觸式和非接觸式。接觸類型采用電刷輸出，電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)，指示代碼狀態(tài)為“1”還是“0”；非接觸式接收敏感元件為光敏元件或磁敏元件。半透明區(qū)域和不透明區(qū)域指示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”，并且通過(guò)二進(jìn)制編碼“1”將收集的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器代碼可讀的電信號(hào)?！?”表示通信、傳輸和存儲(chǔ)。

根據(jù)工作原理，Hengstler編碼器可分為兩類：增量編碼器和絕對(duì)編碼器。增量編碼器將位移轉(zhuǎn)換為周期性電信號(hào)，然后將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖，脈沖數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)編碼器的每個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的數(shù)字代碼，因此其指示僅與測(cè)量的開(kāi)始和結(jié)束位置有關(guān)，與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。它們有最大的區(qū)別：對(duì)于增量編碼器，位置由從零位開(kāi)始計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)決定，而對(duì)于絕對(duì)編碼器，位置由讀取輸出代碼決定。每個(gè)位置的輸出代碼的讀數(shù)在一圈內(nèi)是唯一的，因此，當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，絕對(duì)編碼器不會(huì)與實(shí)際位置斷開(kāi)。再次打開(kāi)電源時(shí)，位置顯示仍然是最新的和有效的，與增量編碼器不同，增量編碼器必須尋找零標(biāo)記。

從接近開(kāi)關(guān)、光障到旋轉(zhuǎn)編碼器

在工業(yè)控制中的定位、接近開(kāi)關(guān)和光障的使用是相當(dāng)成熟和易于操作的。然而，隨著工業(yè)控制的不斷發(fā)展，有了新的要求，因此選擇旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)突出：

信息化：除了定位，控制室還可以知道其具體位置；

靈活性：可在控制室靈活調(diào)整定位；

現(xiàn)場(chǎng)組裝的方便性、安全性和壽命：如果解決了旋轉(zhuǎn)編碼器的安全組裝問(wèn)題，拳頭大小的旋轉(zhuǎn)編碼器可以測(cè)量從幾μ到幾百米的距離，有n個(gè)工位。許多接近開(kāi)關(guān)和擋光板在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械安裝很麻煩，容易損壞，受到高溫和水蒸氣的干擾。因?yàn)樗枪怆娋幋a器，沒(méi)有機(jī)械損耗，而且只要安裝位置準(zhǔn)確，其使用壽命往往很長(zhǎng)。

多功能：除了定位，它還可以遠(yuǎn)程傳輸當(dāng)前位置和轉(zhuǎn)換移動(dòng)速度，這對(duì)于變頻器和步進(jìn)電機(jī)等應(yīng)用尤其重要。

經(jīng)濟(jì)性：多個(gè)控制中心，只需一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的成本，最重要的是，安裝、維護(hù)和損耗成本降低，使用壽命延長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性逐漸得到重視。

由于上述優(yōu)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器正越來(lái)越多地應(yīng)用于各種工業(yè)控制場(chǎng)合。


從增量編碼器到絕對(duì)編碼器

旋轉(zhuǎn)增量編碼器，使其在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生脈沖，并通過(guò)計(jì)數(shù)設(shè)備了解其位置。當(dāng)亨士樂(lè)編碼器靜止或發(fā)生電源故障時(shí)，它依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部存儲(chǔ)器來(lái)記住位置。這樣，當(dāng)出現(xiàn)電源故障時(shí)，編碼器無(wú)法移動(dòng)。當(dāng)電源接通時(shí)，編碼器輸出脈沖被處理，沒(méi)有干擾，脈沖丟失，否則計(jì)數(shù)設(shè)備保存的零點(diǎn)將被偏移，這個(gè)偏移量在顯示錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果之前是不可能知道的。

解決方法是增加參考點(diǎn)。每次亨士樂(lè)編碼器經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)時(shí)，參考位置都會(huì)被修正到計(jì)數(shù)器的記憶位置。在參考點(diǎn)之前，無(wú)法保證位置的準(zhǔn)確性。因此，在工業(yè)控制中，有一些程序，比如為每次操作找到參考點(diǎn)，并啟動(dòng)機(jī)器以找到變化。

例如，打印機(jī)掃描儀的定位基于增量式編碼器的原理：每次我們打開(kāi)它時(shí)，我們都會(huì)聽(tīng)到噼啪聲，它會(huì)搜索參考零點(diǎn)，然后工作。

在一些工業(yè)控制項(xiàng)目中，這種方法更麻煩，甚至不允許開(kāi)始更改（啟動(dòng)后必須知道確切位置），因此絕對(duì)編碼器應(yīng)運(yùn)而生。

絕對(duì)光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器在各種工業(yè)系統(tǒng)中越來(lái)越多地用于角度、長(zhǎng)度測(cè)量和位置控制，因?yàn)槊總€(gè)位置都是絕對(duì)唯一的，沒(méi)有干擾和斷電記憶。

絕對(duì)編碼器光盤(pán)上有許多行，每行由2行、4行、8行和16行交替組成。在編碼器的每個(gè)位置，讀取每個(gè)十字線的連續(xù)性和黑暗度會(huì)產(chǎn)生一組從2的零次方到2的n-1次方（格雷碼）的唯一二進(jìn)制代碼，表示為n位絕對(duì)編碼器。這種亨士樂(lè)編碼器由碼盤(pán)的機(jī)械位置決定，對(duì)電源故障和干擾不敏感。

每個(gè)位置的唯一性由絕對(duì)編碼器的機(jī)械位置決定，不需要記住，不需要找到參考點(diǎn)，也不需要一直計(jì)數(shù)，當(dāng)需要知道位置時(shí)，可以讀取其位置。這樣，編碼器的抗干擾性能和數(shù)據(jù)的可靠性都大大提高。

由于絕對(duì)編碼器在定位方面明顯優(yōu)于增量編碼器，因此它們?cè)絹?lái)越多地被用于工業(yè)控制定位。由于其高精度，絕對(duì)式編碼器有大量的輸出位。如果仍然使用并聯(lián)輸出，則每個(gè)輸出信號(hào)必須連接良好。對(duì)于更復(fù)雜的工作條件，它需要絕緣，并且連接線芯的數(shù)量很大。這會(huì)帶來(lái)很多不便，降低可靠性。因此，對(duì)于多位數(shù)輸出類型，絕對(duì)編碼器通常使用串行輸出或總線輸出。德國(guó)制造的絕對(duì)編碼器最常用的串行輸出是SSI（同步串行輸出線輸出）。

從單圈絕對(duì)編碼器到多圈絕對(duì)編碼器，旋轉(zhuǎn)單圈絕對(duì)編碼器，在旋轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量光學(xué)編碼器盤(pán)的每一行，以獲得唯一代碼。如果旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度，代碼返回原點(diǎn)，這不符合僅絕對(duì)編碼的原則，這樣的編碼器只能用于360度旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的測(cè)量，稱為單圈絕對(duì)編碼器。

如果你想測(cè)量超過(guò)360度的旋轉(zhuǎn)，可以使用多圈絕對(duì)編碼器。

編碼器制造商使用時(shí)鐘和齒輪機(jī)械的原理：當(dāng)中央碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)另一組碼盤(pán)（或多組齒輪、多組碼盤(pán)）齒輪，并在單圈編碼的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)數(shù)。為了擴(kuò)大旋轉(zhuǎn)編碼器的測(cè)量范圍，這種絕對(duì)值編碼器被稱為多圈絕對(duì)值編碼器。它也由機(jī)械位置編碼，每個(gè)位置代碼都是唯一的，沒(méi)有存儲(chǔ)就不會(huì)重復(fù)。

多圈編碼器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于測(cè)量范圍大，實(shí)際使用往往更豐富，因此安裝時(shí)不需要找到零點(diǎn)，并且可以使用某個(gè)中間位置作為起點(diǎn)，大大降低了安裝和調(diào)試的難度。

多匝絕對(duì)式編碼器在長(zhǎng)度定位方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)控制定位。

絕對(duì)編碼器的機(jī)械安裝：

絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器機(jī)械安裝包括高速終裝、低速終裝、機(jī)械輔助設(shè)備安裝等形式。

高速最終組裝：組裝在動(dòng)力電機(jī)（或齒輪連接）的軸端進(jìn)行。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高。由于多圈編碼器有4096圈，電機(jī)的圈數(shù)在這個(gè)范圍內(nèi)，整個(gè)范圍可以完全用于提高分辨率。缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)物體通過(guò)減速器后，往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生齒輪間隙誤差，一般用于單向高精度控制和定位，如軋鋼中的B輥間隙控制。此外，Hengstler編碼器直接安裝在高速端，電機(jī)抖動(dòng)必須小，否則編碼器容易損壞。

低速終裝：安裝在減速器后，如B.在提升用繩筒的軸端或最后一個(gè)減速器的軸端，這種方法沒(méi)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)量更直接，精度更高。這種方法通常測(cè)量距離定位的長(zhǎng)度，如各種起重設(shè)備、喂料小車的定位等。

輔助機(jī)器的安裝：

常用的貨架、鏈條帶、摩擦滑道、收繩機(jī)等。

光電編碼器的特點(diǎn)

·應(yīng)用光電感應(yīng)技術(shù)

·表面安裝無(wú)線組件

·提供雙通道數(shù)字信號(hào)輸出

·計(jì)數(shù)頻率：0~100KHz

·電源電壓DC5。0V，5~12V，12~24V

·工作溫度：-10至70攝氏度

·編碼分辨率：180 LPI

·符合RoHS環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

編碼器的工作原理

絕對(duì)驅(qū)動(dòng)力：APC

增量編碼器：SPC

兩者都常用于速度或位置控制系統(tǒng)的傳感元件中。

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種測(cè)量速度的裝置。它分為單輸出和雙輸出。技術(shù)參數(shù)主要包括每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十到幾千）和電源電壓。單輸出意味著旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一系列脈沖，而雙輸出旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差為90度的脈沖。通過(guò)這兩組脈沖，不僅可以確定轉(zhuǎn)速，還可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)方向。

增量編碼器和絕對(duì)編碼器之間的區(qū)別

如果按照信號(hào)原理劃分編碼器，則有增量編碼器和絕對(duì)編碼器。

增量編碼器（旋轉(zhuǎn)式）


工作原理：

四組正弦波信號(hào)由一個(gè)中心軸上有環(huán)形和暗劃線的光電碼盤(pán)獲得，并由光電發(fā)射和接收設(shè)備讀取，對(duì)于a、B、C、D，每個(gè)正弦波的相位差為90度（相對(duì)于一個(gè)周期360度），C和D信號(hào)被反轉(zhuǎn)并疊加在A和B相位上，以增強(qiáng)穩(wěn)定的信號(hào)，此外，每轉(zhuǎn)有一個(gè)Z相位脈沖輸出，以實(shí)現(xiàn)代表零參考位。


由于相位A和B相差90度，因此可以通過(guò)比較相位A或相位B來(lái)預(yù)先判斷編碼器的正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)，并且可以通過(guò)零脈沖獲得編碼器的零參考位置。

編碼盤(pán)的材料有玻璃、金屬和塑料。玻璃碼盤(pán)是玻璃上的一條細(xì)線，熱穩(wěn)定性好，精度高。然而，由于金屬具有一定的厚度，其精度受到限制，其熱穩(wěn)定性比玻璃低一個(gè)數(shù)量級(jí)。塑料碼盤(pán)經(jīng)濟(jì)、成本低，但其精度、熱穩(wěn)定性和耐久性較差。

分辨率——編碼器每360度旋轉(zhuǎn)提供的通過(guò)數(shù)或暗線數(shù)稱為分辨率，也稱為分辨率分割，或直接指多少線，通常為每旋轉(zhuǎn)5到10000線。

信號(hào)輸出：

信號(hào)輸出包括正弦波（電流或電壓）、方波（TTL、HTL）、開(kāi)路集電極（PNP、NPN）、推挽式，其中TTL為長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)（平衡A、A-；B、B-；Z、Z-），HTL也稱為推挽、推挽輸出，編碼器信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。

信號(hào)連接——編碼器脈沖信號(hào)通常連接到計(jì)數(shù)器、PLC和計(jì)算機(jī)。與PLC和計(jì)算機(jī)相連的模塊分為低速模塊和高速模塊，開(kāi)關(guān)頻率為低或高。

作為單相連接，用于單向計(jì)數(shù)和單向速度測(cè)量。

A.B兩相連接用于上下計(jì)數(shù)、前后判斷和測(cè)速。

A、 B、Z三相連接，用于帶參考位置校正的位置測(cè)量。

A、 A、B、B、Z、Z連接，由于采用平衡負(fù)信號(hào)連接，電流對(duì)電纜產(chǎn)生的電磁場(chǎng)為0，衰減最小，抗干擾性最好，可遠(yuǎn)距離傳輸。

對(duì)于負(fù)信號(hào)輸出平衡的TTL編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)150米。

HTL編碼器具有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出，信號(hào)傳輸距離可達(dá)300米。

亨士樂(lè)編碼器的定義和功能：

在數(shù)字系統(tǒng)中，通常需要將某些信息（輸入）轉(zhuǎn)換為特定代碼（輸出）。根據(jù)特定規(guī)則排列二進(jìn)制代碼，如B.8421代碼、格雷碼等，使每組代碼具有特定含義（代表特定數(shù)字或控制信號(hào)）稱為編碼。具有編碼功能的邏輯電路稱為編碼器。編碼器有多個(gè)輸入，一次只將一個(gè)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼。如果編碼器有N個(gè)輸入端口和N個(gè)輸出端口，則≤ 應(yīng)滿足輸出端口和輸入端口之間的2n。例如，8線3線編碼器和10線4線編碼器分別具有8輸入3位二進(jìn)制代碼輸出和10輸入4位二進(jìn)制代碼輸出。

1.4線-2線編碼器

下面分析了4個(gè)輸入和2個(gè)二進(jìn)制輸出的編碼器的工作原理。4線-2線編碼器的功能如表5.2.1所示。


根據(jù)圖5.2.1所示的邏輯表達(dá)式繪制邏輯圖。該邏輯電路可以實(shí)現(xiàn)表5.2.1所示的功能，即當(dāng)I0~I3的一個(gè)輸入為1時(shí)，輸出為Y1Y0對(duì)應(yīng)的代碼。例如，如果I1為1，則Y1Y0為01。這里還有一個(gè)問(wèn)題需要讀者注意。當(dāng)I0為1時(shí)，I1~I3均為0，I0~I3均為0，Y1Y0均為00，這兩種情況需要在實(shí)踐中加以區(qū)分，這個(gè)問(wèn)題需要以后解決。當(dāng)然，編碼器也可以在低電平運(yùn)行。


2.鍵盤(pán)輸入8421BCD編碼編碼器：

計(jì)算機(jī)的鍵盤(pán)輸入邏輯電路由編碼器組成。圖5.2.2是一個(gè)8421碼編碼器，由十個(gè)鍵和門(mén)電路組成，其功能如表5.2.2所示。其中，S0~S9代表10個(gè)鍵，即十進(jìn)制數(shù)字0~9對(duì)應(yīng)的輸入鍵。相應(yīng)的輸出代碼正好是8421BCD代碼，也用作邏輯變量，ABCD是輸出代碼（A是最高位），GS是控制啟用標(biāo)志。

通過(guò)分析功能表和邏輯電路，可以發(fā)現(xiàn)：① 編碼器的輸入在低電平有效，② 當(dāng)在S0~S9中按下任何鍵時(shí)，即H。如果任何輸入信號(hào)處于有效電平，則GS=1，表示有信號(hào)輸入，并且僅當(dāng)S0~S9處于高電平，GS=0，則表示沒(méi)有信號(hào)輸入，此時(shí)輸出代碼為無(wú)效代碼。這就解決了如何區(qū)分輸出均為0的兩種情況的問(wèn)題。


總之，編碼器可以總結(jié)如下：

1.編碼器的輸入端口N的數(shù)量（要編碼的信息的數(shù)量）和輸出端口N的數(shù)量（結(jié)果代碼的位數(shù)）之間的關(guān)系應(yīng)滿足關(guān)系N≤ 2n。

2、每個(gè)編碼器輸入端口代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)、十進(jìn)制數(shù)或其他信息符號(hào)，一次只允許N個(gè)輸入端口中的一個(gè)輸入端口輸入信號(hào)（低電平輸入激活或高電平輸入）。有效），輸出為相應(yīng)的二進(jìn)制代碼或二進(jìn)制十進(jìn)制（BCD）代碼。

3.正確使用編碼器的控制端口可以擴(kuò)展編碼器的功能。

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