elap直线型编码器(光栅尺、磁栅尺)原理说明


elap编码器以测量方式来分,有直线型编码器(光栅尺、磁栅尺),旋转型编码器。
编码器以信号原理(刻度方法及信号输出形式)来分,有增量型编码器,绝对型编码器和混合式三种。
一、增量型编码器(旋转型)
1、工作原理:
光学编码器由一个中心有轴的光电码盘,其上有环形通、暗的刻线,当圆盘旋转一个节距时,在发光元件照射下,光敏元件得到A,B信号为具有90度相位差的正弦波,这组信号经放大器放大与整形,得到的输出方波,A相比B相导前90度,其电压幅值一般为5V。设A相导前B相时为正方向旋转,则B相导前A相时即为负方向旋转,利用A相与B相的相位关系可以判别编码器的的正转与反转,C相产生的脉冲为基准脉冲,又称零点脉冲,它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲,可获得编码器的零位参考位。AB相脉冲信号经频率-电压变换后,得到与转轴转速成比例的电压信号,便可测得速度值及位移量。
磁性编码器是近年发展起来的一种新型电磁敏感元件,它是随着光学编码器的发展而发展起来的。光学编码器的主要优点是对潮湿气体和污染敏感,但可靠性差,而磁性编码器不易受尘埃和结露影响,同时其结构简单紧凑,可高速运转,响应速度快(达500~700kHz),体积比光学式编码器小,而成本更低,且易将多个元件精确地排列组合,比用光学元件和半导体磁敏元件更容易构成新功能器件和多功能器件。在高速度、高精度、小型化、长寿命的要求下,在激烈的市场竞争中,磁性编码器以其突出特点而独具优势,成为发展高技术产品的关键之一。
磁性编码器原理是通过磁力形成脉冲列,产生信号,其特征为将未硫化的橡胶中混合稀土类磁性粉末形成磁性橡胶坯子,硫化粘附在加强环(1)上,形成磁性橡胶环(2),在该磁性橡胶环上以圆周状交替着磁,产生S极和N极。同时采用新型的SMR(磁敏电阻)或霍尔效应传感器作为敏感元件,信号稳定、可靠。此外,采用双层布线工艺,还能使磁性编码器不仅具有一般编码器仅有的增量信号及增量信号和指数信号输出,还具有绝对信号输出功能。所以,尽管目前约占90%的编码器均为光学编码器,但毫无疑问,在未来的运动控制系统中,磁性编码器的用量将逐渐增多。

elap直线型编码器(光栅尺、磁栅尺)原理说明
2、增量编码器的分辨率,倍频与细分技术
增量编码器码盘是由很多光栅刻线组成的,有两个(或4个,以后讨论4个光眼的)光眼读取A,B信号的,刻线的密度决定了这个增量型编码器的分辨率,也就是可以分辨读取的最小变化角度值。代表增量编码器的分辨率的参数是PPR,也就是每转脉冲数。
增量编码器的A/B输出的波形一般有两种,一种是有陡直上升沿和陡直下降沿的方波信号,一种是缓慢上升与下降,波形类似正弦曲线的Sin/Cos曲线波形信号输出,A与B相差1/4T周期90度相位,如果A是类正弦Sin曲线,那B就是类余弦Cos曲线。
对于方波信号,A,B两相相差90度相(1/4T),这样,在0度相位角,90度,180度,270度相位角,这四个位置有上升沿和下降沿,这样,实际上在1/4T方波周期就可以有角度变化的判断,这样1/4的T周期就是最小测量步距,通过电路对于这些上升沿与下降沿的判断,可以4倍于PPR读取角度的变化,这就是方波的四倍频。这种判断,也可以用逻辑来做,0代表低,1代表高,A/B两相在一个周期内变化是0 0,0 1,1 1,1 0 。这种判断不仅可以4倍频,还可以判断旋转方向。
严格地讲,方波最高只能做4倍频,虽然有人用时差法可以分的更细,但那基本不是增量编码器推荐的,更高的分频要用增量脉冲信号是SIN/COS类正余弦的信号来做,后续电路可通过读取波形相位的变化,用模数转换电路来细分,5倍、10倍、20倍,甚至100倍以上,分好后再以方波波形输出(PPR)。分频的倍数实际是有限制的,首先,模数转换有时间响应问题,模数转换的速度与分辨的精确度是一对矛盾,不可能无限细分,分的过细,响应与精准度就有问题;其次,原编码器的刻线精度,输出的类正余弦信号本身一致性、波形完美度是有限的,分的过细,只会把原来码盘的误差暴露得更明显,而带来误差。细分做起来容易,但要做好却很难,其一方面取决于原始码盘的刻线精度与输出波形完美度,另一方面取决于细分电路的响应速度与分辨精准度。例如,德国的工业编码器,推荐的最佳细分是20倍,更高的细分是其推荐的精度更高的角度编码器,但旋转的速度是很低的。
一个增量编码器细分后输出A/B/Z方波的,还可以再次4倍频,但是请注意,细分对于编码器的旋转速度是有要求的,一般都较低。另外,如原始码盘的刻线精度不高、波形不完美,或细分电路本身的限制,细分也许会波形严重失真,大小步,丢步等,选用及使用时需注意。
elap直线型编码器(光栅尺、磁栅尺)原理说明