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如何進(jìn)行正交編碼器測量

摘要： 編碼器是一種機(jī)電裝備，可以用來測量機(jī)械運(yùn)動或者目標(biāo)位置。大多數(shù)編碼器都使用光學(xué)傳感器來提供脈沖序列形式的電信號，這些信號可以依次轉(zhuǎn)換成運(yùn)動、方向或位置信息。

關(guān)鍵詞： 編碼器 NI

Abstract：

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編碼器及其應(yīng)用概述

編碼器是一種機(jī)電裝備，可以用來測量機(jī)械運(yùn)動或者目標(biāo)位置。大多數(shù)編碼器都使用光學(xué)傳感器來提供脈沖序列形式的電信號，這些信號可以依次轉(zhuǎn)換成運(yùn)動、方向或位置信息。

旋轉(zhuǎn)編碼器可以用來測量軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。圖1顯示了旋轉(zhuǎn)編碼器的基本組成部分，包括一個發(fā)光二極管（LED）、一個碼盤，以及碼盤背面的一個光傳感器。這個碼盤安置在旋轉(zhuǎn)軸上，上面按一定編碼形式排列著不透光和透光的扇形區(qū)域。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動時(shí)，不透光扇區(qū)能夠遮擋光線，而透光扇區(qū)則允許光線透過。這樣就產(chǎn)生了方波脈沖，可以編譯成相應(yīng)的位置或運(yùn)動信息。編碼器每轉(zhuǎn)通常分為100到6000個扇區(qū)。這就表明，100個扇區(qū)的編碼器可以提供3.6度的精度，而6000個扇區(qū)的編碼器則可以提供0.06度的精度。

線性編碼器與旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理類似。它采用了一條固定的不透光帶取代了旋轉(zhuǎn)碼盤，在不透光帶表面上有一些透光縫隙，而LED探測器組件則被附在運(yùn)動體上。

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圖1. 光電編碼器的組件

僅有一路脈沖輸出的編碼器不能確定旋轉(zhuǎn)的角度，所以用處不大。如果使用兩路碼道，其扇區(qū)之間的相位差為90度（如圖2所示），那么通過該正交編碼器的兩路輸出通道就可以確定位置和旋轉(zhuǎn)的方向兩個信息。例如，如果通道A相位超前，碼盤就以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果通道B相位超前，那么碼盤就是以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此，通過監(jiān)控脈沖的數(shù)目和信號A、B之間的相對相位信息，就可以同時(shí)獲得旋轉(zhuǎn)的位置和方向信息。

圖2. 正交編碼器A和B的輸出信號

除此之外，有些正交編碼器還包含被稱為零信號或者參考信號的第三個輸出通道。這個通道每旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個單脈沖。你可以使用這個單脈沖來精確計(jì)算某個參考位置。在絕大多數(shù)編碼器中，這個信號稱為Z軸或者索引。

為止，本文之前介紹了單端增量式正交編碼器。由于A和B信號都以地作為參考信號，所以被稱作為單端，并且每個信號只有一根線（或者說只有一端）。而另外一種常用的編碼器為差分編碼器，它的A和B信號都有兩根線。A信號的兩根線分別是A’和A，B信號的兩根線分別是B’和B。因?yàn)檫@四根線總是輸出某個已知電平（0V或者Vcc），所以這種結(jié)構(gòu)也被稱為推挽結(jié)構(gòu)。當(dāng)A是Vcc時(shí)A’就是0V，反之，當(dāng)A是0V時(shí)A’就是Vcc。而在單端編碼器的情況下，A或者是Vcc或者懸空。采用差分檢測可以保證信號的準(zhǔn)確性，所以差分編碼器通常可以用在電噪聲較大的環(huán)境中。

采用增量式編碼器僅能測量出位置的變化信息（從中可以計(jì)算出運(yùn)動速度和加速度），但卻無法確定目標(biāo)的絕對位置。在這里，我們將介紹第三種編碼器：絕對式編碼器，該類編碼器能夠獲得目標(biāo)的絕對位置。這種編碼器同增量式編碼器一樣，具有交替變化的不透光扇區(qū)和透光扇區(qū)。但是絕對式編碼器在編碼器的碼盤上，采用了多組分區(qū)形成同心碼道，如同靶環(huán)一樣。同心碼道從編碼器碼盤的中心出發(fā)，向外擴(kuò)展直到碼盤外部，每一層碼道都比其內(nèi)層多了一倍的分區(qū)。第一層，即最內(nèi)層的碼道，只有一個透光扇區(qū)和一個不透光扇區(qū)；位于中心的第二層就具有兩個透光扇區(qū)和兩個不透光扇區(qū)；而第三層碼道的透光扇區(qū)和不透光扇區(qū)就各有四個。如果編碼器有10層碼道，那么最外圍的碼道就有512個扇區(qū)；如果有16層碼道，那么最外圍的碼道就有32,767個扇區(qū)。

因?yàn)榻^對式編碼器的每層碼道都比它里面一層的碼道多了一倍數(shù)目的扇區(qū)，所以扇區(qū)的數(shù)目就形成了二進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)。在這種編碼器中，碼盤上的每個碼道都對應(yīng)一個光源和一個接收器。這意味著10層碼道的編碼器就需要10組光源和接收器，而16層碼道的編碼器就需要16組光源和接收器。

絕對式編碼器的優(yōu)勢在于您可以降低編碼器的轉(zhuǎn)速，可以使編碼器的碼盤在整個機(jī)器運(yùn)動周期中只轉(zhuǎn)一圈。如果機(jī)器運(yùn)動距離為10英寸，而編碼器具有16位精度，那么機(jī)器位置的精度就是10/65,536，即0.00015英寸。如果機(jī)器的行程更長譬如6英尺，那么粗旋轉(zhuǎn)編碼器可以保證跟蹤每一英尺距離；第二級稱為細(xì)旋轉(zhuǎn)編碼器可以跟蹤1英尺以內(nèi)的距離。這就意味著，你可以調(diào)整粗編碼器，使其在整個6英尺距離內(nèi)旋轉(zhuǎn)一圈；也可以調(diào)整細(xì)編碼器，使其能夠分辨的范圍為1英尺(即12英寸)。

怎樣使用編碼器進(jìn)行測量

要使用編碼器進(jìn)行測量，必需有一個基本的電子設(shè)備即計(jì)數(shù)器。基本的計(jì)數(shù)器是通過其幾個輸入通道，產(chǎn)生一個數(shù)值，來表示檢測到的邊沿（即波形中從低到高或高到低的變化）數(shù)目。大多數(shù)計(jì)數(shù)器都有三個相互關(guān)聯(lián)的輸入——門限、源和升/降選擇。計(jì)數(shù)器記錄源輸入中的事件數(shù)目，并且根據(jù)升/降選擇線的狀態(tài)進(jìn)行加計(jì)數(shù)或者減計(jì)數(shù)。例如：如果升/降狀態(tài)位”高”，那么計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)；如果升/降狀態(tài)位”低”，那么計(jì)數(shù)器就減計(jì)數(shù)。圖3顯示了一個簡化的計(jì)數(shù)器框圖。

圖3. 計(jì)數(shù)器的簡化模型

編碼器通常有5根線需要連接。不同的編碼器，這些線的顏色是不一樣的。你可以使用這些線來給編碼器提供電源，并且讀入A、B和Z信號。圖4顯示了一個增量式編碼器的典型接口定義。

圖4. 增量式編碼器接口

接下來一步就要決定這些線應(yīng)該接到什么位置。如上文所述，將信號A接到源接線端上，對其信號中的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。信號B連接到升/降選擇端口上。將任意+5V的直流電源接到電源和地接線端口上——大多情況下，一個數(shù)據(jù)采集設(shè)備只需一根數(shù)字線就足夠了。

既然對信號邊沿計(jì)數(shù)了，接下來你需要考慮的就是這些數(shù)值應(yīng)如何轉(zhuǎn)換成位置信息。這個由邊沿?cái)?shù)值轉(zhuǎn)換為位置信息的過程，取決于所采用的編碼類型。總共有三種基本的編碼類型：X1、X2和X4。

X1編碼

圖5顯示了一個正交周期和其相應(yīng)的X1編碼類型下的計(jì)數(shù)值的加減數(shù)目。當(dāng)通道A引導(dǎo)通道B時(shí)，增量發(fā)生在通道A的上升沿。當(dāng)通道B引導(dǎo)通道A時(shí)，減量發(fā)生在通道A的下降沿。

圖5. X1編碼

X2編碼

X2編碼與上述過程類似，只是計(jì)數(shù)器A通道的每個邊沿計(jì)數(shù)是增加還是減少，取決于由哪個通道引導(dǎo)哪個通道。計(jì)數(shù)器的數(shù)值每個周期都會增加2個或減少2個，如圖6所示。

圖6. X2編碼

X4編碼

X4編碼模式下，計(jì)數(shù)器同樣也在通道A和B的每個沿上發(fā)生增加或者減少。計(jì)數(shù)器的數(shù)目是增加還是減少，取決于哪個通道引導(dǎo)哪個通道。計(jì)數(shù)器的數(shù)目每個周期都會增加4個或減少4個，如圖7所示。

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圖7. X4編碼

一旦你設(shè)置了編碼類型以及脈沖計(jì)數(shù)類型，就可以使用下列公式把數(shù)值信息轉(zhuǎn)換為位置信息了：

對于轉(zhuǎn)動位置

旋轉(zhuǎn)量

其中 N＝軸每旋轉(zhuǎn)一周過程中，編碼器所生成的脈沖數(shù)目

x ＝編碼類型

對于線性位置

位移量

其中 PPI＝脈沖每英寸(這個參數(shù)與所選的編碼器有關(guān))

將編碼器連接到儀器上

在這部分中，以NI cDAQ-9172機(jī)箱和NI 9401 C系列的數(shù)字I/O模塊為例。使用不同的測量儀器和設(shè)備，都與該過程類似。

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圖8. NI CompactDAQ系統(tǒng)

使用的設(shè)備：

cDAQ-9172 ： NI CompactDAQ 8插槽高速USB機(jī)箱

NI 9401：8-通道、5 V/TTL高速雙向數(shù)字I/O模塊

24脈沖/轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)正交編碼器

NI 9401有一個 D-Sub連接器，可以為8個數(shù)字通道提供連接。每個通道都有一個數(shù)字I/O端口，可以連接到一個數(shù)字輸入或輸出設(shè)備。只有通過機(jī)箱上的第5和第6個插槽，才可以連接到cDAQ-9172中的兩個計(jì)數(shù)器上；所以，將9401插入到第5插槽上。圖8顯示了這種結(jié)構(gòu)的端口，圖9顯示了默認(rèn)的計(jì)數(shù)器接線端。