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增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)(增量式光電編碼器原理)

發(fā)布時(shí)間:2021-03-09 18:00

增量式光電編碼器的一個(gè)特點(diǎn)是,所有輸出脈沖信號都對應(yīng)于增量位移,但是是增量式的,其中位置無法通過輸出脈沖來區(qū)分。它可以生成與位移增量相對應(yīng)的脈沖信號,其功能是提供一種方法來檢測相對于特定參考點(diǎn)的連續(xù)位移和位移變化(速度)的離散化或增量。無法直接檢測軸的絕對位置信息。通常,增量式光電編碼器輸出彼此具有90°電角度差的A和B脈沖信號(所謂的兩組正交輸出信號),從而易于確定旋轉(zhuǎn)方向。同時(shí),還有一個(gè)Z相標(biāo)記(標(biāo)記)脈沖信號用作參考標(biāo)記,并且每當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)一圈時(shí),僅發(fā)送一個(gè)標(biāo)記信號。標(biāo)記脈沖通常用于標(biāo)記機(jī)械位置或擦除累積量。增量式光電編碼器主要由光源,代碼盤,檢測柵,光電檢測裝置和轉(zhuǎn)換電路組成,如圖1-1所示。碼盤上刻有相同間距的徑向溢流縫隙,相鄰的兩個(gè)溢流縫隙代表增量周期。在檢測網(wǎng)格上刻有兩組對應(yīng)于代碼盤的A和B。阻擋光源和光電傳感設(shè)備之間的光。它們的間距等于代碼盤的間距,并且兩組透光間隙錯(cuò)開1/4間距,因此從光電傳感裝置輸出的信號為90°相位電角。 當(dāng)代碼盤與被測軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí),檢測光柵不移動(dòng),光穿過代碼盤的間隙和檢測光柵以照射光電檢測裝置,并且光電檢測裝置輸出兩組相位差。 90°電圖電信號類似于正弦波,并且電信號由轉(zhuǎn)換電路處理以獲得測得的軸旋轉(zhuǎn)角度或速度信息。增量式光電編碼器的輸出信號波形如圖1-2所示。增量式光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn),平均機(jī)械壽命長(可達(dá)到數(shù)萬小時(shí)以上),分辨率高,抗干擾功能強(qiáng),信號傳輸距離長,可靠性高。缺點(diǎn)是無法直接讀取旋轉(zhuǎn)軸的絕對位置信息。

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圖1-2增量式光電編碼器的輸出信號波形

基本技術(shù)規(guī)格

使用增量式光電編碼器時(shí),通常會(huì)對技術(shù)規(guī)范提出各種要求,其中最重要的是分辨率,精度,輸出信號的穩(wěn)定性,響應(yīng)頻率和信號輸出格式。

(1)分辨率

光電編碼器的分辨率表示為脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)數(shù)(PPR),即編碼器軸旋轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的輸出信號的基本周期數(shù)。代碼盤上的透光縫隙的數(shù)量等于編碼器的分辨率,并且刻在代碼盤上的縫隙越多,編碼器的分辨率就越高。在工業(yè)電力驅(qū)動(dòng)器中,根據(jù)不同的應(yīng)用,您可以選擇分辨率通常在500到6000 PPR之間的增量式光電編碼器,最大值可以達(dá)到數(shù)以萬計(jì)的PPR。分辨率為2500PPR的編碼器通常用于交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。另外,通過對光電轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行邏輯處理,可以獲得頻率為2或4的脈沖信號,這可以進(jìn)一步提高分辨率。

(2)精度

增量式光電編碼器的精度與分辨率無關(guān)。有兩個(gè)不同的概念。精度是在選定的分辨率范圍內(nèi)將一個(gè)脈沖相對于另一個(gè)脈沖定位的能力的度量。精度通常以度,弧分或弧秒表示。編碼器的精度與碼盤透光間隙的加工質(zhì)量,碼盤機(jī)械旋轉(zhuǎn)的制造精度系數(shù)以及安裝技術(shù)有關(guān)。

(3)輸出信號的穩(wěn)定性

編碼器輸出信號的穩(wěn)定性表明其在實(shí)際操作條件下保持指定精度的能力。影響編碼器輸出信號穩(wěn)定性的主要因素是由于電子設(shè)備的溫度引起的漂移,外界施加在編碼器上的應(yīng)變以及光源特性的變化。由于溫度和電源變化的影響,編碼器的電子電路無法維持其指定的輸出特性,因此在設(shè)計(jì)和使用編碼器時(shí)必須充分考慮。

(4)響應(yīng)頻率

編碼器輸出的響應(yīng)頻率取決于光電檢測裝置和電子處理電路的響應(yīng)速度。編碼器高速旋轉(zhuǎn)時(shí),分辨率越高,編碼器輸出信號的頻率越高。如果光電檢測裝置和電子電路組件的運(yùn)行速度不兼容,則輸出波形可能會(huì)嚴(yán)重失真,并且可能會(huì)發(fā)生脈沖丟失。這樣,輸出信號不能準(zhǔn)確地反映軸的位置信息。因此,當(dāng)每個(gè)編碼器具有特定的分辨率時(shí),最大速度也將確定。換句話說,響應(yīng)頻率是有限的。編碼器的最大響應(yīng)頻率,分辨率和最大速度之間的關(guān)系由公式(1-1)給出。

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(5)信號輸出格式

在大多數(shù)情況下,直接從編碼器的光電傳感設(shè)備獲得的信號電平低,波形不規(guī)則,不適合控制,信號處理和長距離傳輸要求。因此,必須在編碼器中對信號進(jìn)行放大和整形。處理后的輸出信號通常類似于正弦波或方波。由于方波輸出信號易于數(shù)字處理,因此該輸出信號被廣泛用于位置控制。使用正弦波輸出信號基本上可以消除定位停止時(shí)的振動(dòng)現(xiàn)象,并且電子插值方法可以輕松以較低的成本獲得高分辨率。增量式光電編碼器的信號輸出格式包括集電極開路,電壓輸出,線路驅(qū)動(dòng)器,互補(bǔ)輸出和推挽輸出(圖騰),極點(diǎn))。

集電極開路輸出該輸出方法使用編碼器輸出側(cè)的NPN晶體管,將晶體管的發(fā)射極端子連接到0V,將集電極和+ Vcc端子分開,并將集電極用作輸出端子。如果編碼器的電源電壓和信號接收設(shè)備的電壓不匹配,建議使用這種類型的輸出電路。輸出電路如圖1-3所示。主要應(yīng)用是電梯,紡織機(jī)械,潤滑機(jī)械,自動(dòng)化設(shè)備,切割機(jī)械,印刷機(jī)械,包裝機(jī)械和編織機(jī)械。

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圖1-3集電極開路輸出電路

電壓輸出此輸出方法使用編碼器輸出側(cè)的NPN晶體管將晶體管的發(fā)射極端子連接至0V,將集電極端子連接至+ Vcc,并將負(fù)載電阻連接至輸出端子。如果編碼器的電源電壓等于信號接收設(shè)備的電壓,則建議使用這種類型的輸出電路。輸出電路如圖1-4所示。主要應(yīng)用是電梯,紡織機(jī)械,潤滑機(jī)械,自動(dòng)化設(shè)備,切割機(jī)械,印刷機(jī)械,包裝機(jī)械和編織機(jī)械。

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圖1-4電壓輸出電路

線路驅(qū)動(dòng)器輸出此輸出方法將線路驅(qū)動(dòng)器IC芯片(26LS31)用于編碼器輸出電路。線性驅(qū)動(dòng)器輸出具有高速響應(yīng)和良好的噪聲抑制性能,因此適合長距離傳輸。輸出電路如圖1-5所示。主要應(yīng)用是伺服電機(jī),機(jī)器人,CNC加工機(jī)等。

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圖1-5線路驅(qū)動(dòng)器輸出電路

互補(bǔ)輸出該輸出模式由PNP型和NPN型兩個(gè)上,下晶體管組成,當(dāng)一個(gè)晶體管導(dǎo)通時(shí),另一個(gè)晶體管截止。此輸出形式具有高輸入阻抗和低輸出阻抗,因此它還可以在低阻抗條件下提供各種電源。輸入和輸出信號是同相的,并且具有很寬的頻率范圍,使其適合于長距離傳輸。輸出電路如圖1-6所示。主要用于電梯領(lǐng)域或特殊領(lǐng)域。

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圖1-6互補(bǔ)輸出電路

推挽輸出此輸出模式包括兩個(gè)上,下NPN晶體管,當(dāng)一個(gè)晶體管導(dǎo)通時(shí),另一個(gè)晶體管截止。電流在兩個(gè)方向上流過輸出側(cè)的兩個(gè)晶體管,并且始終輸出電流。因此,它具有低阻抗,并且不受噪聲和應(yīng)變波的影響。輸出電路如圖1-7所示。主要應(yīng)用是電梯,紡織機(jī)械,潤滑機(jī)械,自動(dòng)化設(shè)備,切割機(jī)械,印刷機(jī)械,包裝機(jī)械和編織機(jī)械。

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圖1-7推挽輸出電路

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