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Technical articles倍加福編碼器的詳細工作原理
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兩者一般都應(yīng)用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測元件.
旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(幾十個到幾千個都有),和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖,而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖,通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速,還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。
增量型編碼器與型編碼器的區(qū)分
編碼器如以信號原理來分,有增量型編碼器,型編碼器。
增量型編碼器 (旋轉(zhuǎn)型)
工作原理:
由一個中心有軸的光電碼盤,其上有環(huán)形通、暗的刻線,有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差(相對于一個周波為360度),將C、D信號反向,疊加在A、B兩相上,可增強穩(wěn)定信號;另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。
由于A、B兩相相差90度,可通過比較A相在前還是B相在前,以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),通過零位脈沖,可獲得編碼器的零位參考位。
編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料,玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線,其熱穩(wěn)定性好,精度高,金屬碼盤直接以通和不通刻線,不易碎,但由于金屬有一定的厚度,精度就有限制,其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數(shù)量級,塑料碼盤是經(jīng)濟型的,其成本低,但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。
分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率,也稱解析分度、或直接稱多少線,一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。
信號輸出:
信號輸出有正弦波(電流或電壓),方波(TTL、HTL),集電極開路(PNP、NPN),推拉式多種形式,其中TTL為長線差分驅(qū)動(對稱A,A-;B,B-;Z,Z-),HTL也稱推拉式、推挽式輸出,編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。
信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、PLC、計算機,PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分,開關(guān)頻率有低有高。
如單相聯(lián)接,用于單方向計數(shù),單方向測速。
A.B兩相聯(lián)接,用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速。
A、B、Z三相聯(lián)接,用于帶參考位修正的位置測量。
A、A-,B、B-,Z、Z-連接,由于帶有對稱負信號的連接,電流對于電纜貢獻的電磁場為0,衰減小,抗干擾佳,可傳輸較遠的距離。
對于TTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器,信號傳輸距離可達150米。
對于HTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器,信號傳輸距離可達300米。
編碼器的定義與功能:
在數(shù)字系統(tǒng)里,常常需要將某一信息(輸入)變換為某一特定的代碼(輸出)。把二進制碼按一定的規(guī)律編排,例如8421碼、格雷碼等,使每組代碼具有一特定的含義(代表某個數(shù)字或控制信號)稱為編碼。具有編碼功能的邏輯電路稱為編碼器。編碼器有若干個輸入,在某一時刻只有一個輸入信號被轉(zhuǎn)換成為二進制碼。如果一個編碼器有N個輸入端和n個輸出端,則輸出端與輸入端之間應(yīng)滿足關(guān)系N≤2n。 例如8線—3線編碼器和10線—4線編碼器分別有8輸入、3位二進制碼輸出和10輸入、4位二進制碼輸出。
1.4線—2線編碼器
下面分析4輸入、2位二進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)邏輯表達式畫出邏輯圖如圖5.2.1所示。該邏輯電路可以實現(xiàn)如表5.2.1所示的功能,即當(dāng)I0~I3中某一個輸入為1,輸出 Y1Y0即為相對應(yīng)的代碼,例如當(dāng)I1為1時,Y1Y0為01。這里還有一個問題請讀者注意。當(dāng)I0為1,I1~I3都為0和I0~I3均為0時Y1Y0 都是00,而這兩種情況在實際中是必須加以區(qū)分的,這個問題留待后面加以解決。當(dāng)然,編碼器也可以設(shè)計為低電平有效。
2.鍵盤輸入8421BCD碼編碼器:
計算機的鍵盤輸入邏輯電路就是由編碼器組成。圖5.2.2是用十個按鍵和門電路組成的8421碼編碼器,其功能如表5.2.2所示, 其中S0~S9代表十個按鍵,即對應(yīng)十進制數(shù)0~9的輸入鍵,它們對應(yīng)的輸出代碼正好是8421BCD碼,同時也把它們作為邏輯變量,ABCD 為輸出代碼(A為高位),GS為控制使能標(biāo)志。
對功能表和邏輯電路進行分析,都可得知:①該編碼器為輸入低電平有效;②在按下S0~S9中任意一個鍵時,即輸入信號中有一個為有效電平時,GS=1,代表有信號輸入,而只有S0~S9均為高電平時GS=0,代表無信號輸入,此時的輸出代碼0000為無效代碼。由此解決了前面提出的如何區(qū)分兩種情況下輸出都是全0的問題。
編碼器是將信號或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。
編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號,前者成為碼盤,后者稱碼尺.按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種.接觸式采用電刷輸出,一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是"1”還是“0”;非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件,采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是"1”還是"0”,通過"1”和“0”的二進制編碼來將采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。
隔離措施:隔離是破壞干擾途徑、切斷耦合通道,從而達到抑制干擾的一種技術(shù)措施。編碼器工作電源如果選擇 DC/DC 隔離電源,主要使用在供電電源系統(tǒng)有很多同時在工作的器件,現(xiàn)場出現(xiàn)較為嚴重干擾的情況。增量信號接收的光電耦合器隔離,應(yīng)用于增量脈沖信號的接收單元電路中。光電耦合器是一種電光電耦合器件,它的輸入量是電流,輸出量也是電流,但是輸入、輸出之間從電氣上看卻是絕緣的。保證了輸入回路和輸出回路的電氣隔離第二步:編碼器安裝的絕緣隔離:在有大型電機和變頻器的場合下,如果碰到有干擾問題,那很有可能是遇見電機外殼“交流漏電”了。電動機本身同時也是一個發(fā)電機,在啟動的瞬間,電機動力與“發(fā)電”反電動勢是不平衡的,這種不平衡使電機產(chǎn)生加速運動,但這種不平衡也有可能會在電機外殼上產(chǎn)生瞬間的交流漏電,我們在檢查電機外殼的接地只是靜態(tài)測得的電阻量,無法確定在電機啟動的瞬間能夠有很好的交流導(dǎo)通接地。在這種情況下,建議編碼器外殼(包括編碼器的轉(zhuǎn)軸)要與電機外殼絕緣隔離。
第三步:編碼器電源:選擇具有寬工作電源與信號短路保護的編碼器,很多的編碼器干擾來自于其供電電源的波動,和電源 0V 基準的破壞。要避免此類干擾情況的出現(xiàn),現(xiàn)場的編碼器應(yīng)由特定的工作電源獨立供電,并且在輸出功率選擇上需做到足夠大(編碼器標(biāo)示功耗的2倍以上);同時,選擇的編碼器應(yīng)具有寬工作電壓,例如 9~30Vdc 甚至 5~30Vdc 的工作電壓,這表明編碼器內(nèi)部電路對工作電源的設(shè)計,已經(jīng)考慮了輸入電源的降壓穩(wěn)壓濾波,有較好的電源抗波動性干擾的性能;另外,在選擇編碼器時,需考慮信號對電源的短路保護(信號線對電源的正負極短接不會“燒”壞編碼器),就是說編碼器設(shè)計中已經(jīng)對信號的 0V 基準波動有了過濾或截斷設(shè)計。
第四步:信號電纜選擇,選擇專業(yè)的編碼器雙絞屏蔽電纜,不僅僅是編碼器內(nèi)部電路的保護,編碼器自帶的用于輸出信號的信號傳輸電纜,以及外接的加長信號電纜,都應(yīng)選用編碼器信號的雙絞屏蔽電纜,并且電纜需要有超細的高密度高導(dǎo)通性的金屬細線編織成的屏蔽保護層,可以吸收外部輻射的高頻電磁場變化,從而起到屏蔽保護的作用第五步:反向通道:反向通道是為了提高信號的傳輸距離,額外地輸出 A、B 和 Z 通道的反相信號。這種傳送標(biāo)準特性符合 RS422 接口,并且推挽式輸出也可以自選反相輸出。
第六步:增量編碼器的信號選擇,應(yīng)選擇具有反相通道的輸出信號(HTL-G6),一方面,具備 9~30V 的寬電源與極性、短路保護功能的編碼器不易損壞;另一方面由于干擾源對于編碼器正反相的信號的干擾作用相當(dāng),干擾在編碼器接收設(shè)備中可抵消,此類增量編碼器信號傳遞可達到無干擾傳輸,傳遞也更遠電纜可達到 200米,依據(jù)電纜、現(xiàn)場情況與信號頻率。
第七步:電磁屏蔽,電磁屏蔽也是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形,將被保護的電路包圍在其中。它屏蔽的干擾對象不是電場,而是高頻( 40KHz 以上)磁場。干擾源產(chǎn)生的高頻磁場遇到導(dǎo)電良好的電磁屏蔽層時,就在其外表面感應(yīng)出同頻率的電渦流,從而消耗了高頻干擾的能量,使電磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受高頻干擾磁場的影響。
第八步:靜電屏蔽,靜電屏蔽就是用銅或鋁等導(dǎo)電性能良好的金屬為材料制作成封閉的金屬外殼,并與地線連接,把需要屏蔽的編碼器電路置于其中,使外部干擾電場的電力場不影響其內(nèi)部的電路。反過來,編碼器內(nèi)部電路產(chǎn)生的電信號也無法外逸去影響外部電路。靜電屏蔽不但能夠防止靜電干擾,也一樣能防止交變電場的干擾,所以許多儀器的外殼用導(dǎo)電材料制作并且接地。