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【通用技术课堂】编码器的原理

来源:本站   发布时间: 2021-04-06 10:04:23   浏览:66次  字号: [大] [中] [小] [收藏]
上一期我们介绍了经常会用到的光栅尺的一些基本原理,这一期,今天小编给大家带来的是编码器,更准确的说是旋转编码器。有的小伙伴可能会说了,“编码器我用过,绝对位置、增量型编码器都有”。是的,没错,这些都是常用的编码器类型,今天给大家带来的课程会从另外一个切入点上进行介绍:

Resolver与Encoder
为什么以Resolver和Encoder为切入点?
A:增量型编码器,绝对位置编码器,这些都很容易理解,对于位置的检测一个是绝对的,一个是相对的。对于Resolver和Encoder的理解就没那么直白了,经常会有人问到,Resolver和Encoder到底有什么区别?有人说Resolver就是编码器,也有人说是旋转变压器,还有人认为是分解器……到底该怎么理解呢,接下来小编就为大家来做个科普介绍
 
Resolver
先来一段视频介绍,视频来自于国外的Learnchannel

请点击下图查看视频


如视频上介绍的,Resolver的基本工作原理是3个不同的线圈绕组构成的:参考、正弦、余弦,如下图


参考绕组是一次绕组,它通过旋转变压器一次侧的AC电压励磁,随后将电压发送至变压器的二次侧,无需电刷,无需套环,且Resolver内部没有其他的电子元器件,整体的稳定性、抗震动能力都会比较好
参考绕组安装在电机轴上,电机在旋转时,正弦SIN和余弦COS绕组的电压会随着轴的转动发生变化。SIN和COS之间的安装角度差90°,参考绕组转动时,与SIN/COS绕组间的角度差,我们称之为θ,因此,SIN和COS绕组上的电压就等于参考绕组的电压乘以sin(θ)和cos(θ)


将SIN和COS绕组用参考电压标准化输出后,我们可以看到如上图的两个波形,通常我们使用的参考电压有1V,1.5V,3.3V,5V,12V,18V,24V等,信号的输出频率最高一般会到5kHz,在处理信号的时候,需要对SIN和COS通道同时进行采样,一般会使用Delta-Sigma调制的方式,也就时噪声整形的方式进行采样,采样频率通常最高能达到20MHz,信号调制后能够获得相对应分辨率的信号。如下图为采样处理的简化框图



因此,Resolver本身是一款非常稳定的传感器,不仅可以做到高精度,而且还能够有很长的使用寿命,不过通常由于Resolver的信号频率只能到5kHz,电机的旋转速度受到一定的限制,只能到5000转/分
由于它的这个工作原理,其实不太适合被称为编码器,因为本身并没有什么编码,只不过当大家在使用这种角度、速度传感器的时候,出于习惯,也把它称为了编码器


Encoder
Encoder的原理和Resolver就不太一样了,与我们上一期介绍的光栅尺的概念比较接近(戳这里看光栅尺原理),通常我们称之为编码器,顾名思义,其检测原理是通过对编码的识别
编码器可以分为线性与旋转两种,此处我们介绍的主要是旋转编码器,光栅尺实际上就是一种线性编码器
看过上一篇光栅尺介绍的小伙伴们应该大致有个概念了,旋转编码器是如何进行检测定位的,我们先来看看两个视频介绍吧
首先是增量式编码器的工作原理

请点击下图查看视频



然后是绝对位置编码器的工作原理
请点击下图查看视频


Encoder的输出信号一般有绝对位置值、TTL信号、正弦信号这几种
像上面这个视频的绝对位置值,输出的就是一个3bit的数字量,根据数字量来判断当前码盘的角度值,数字量位数越多,角度值的精度就更高,比如说3bit的数字量,其角度分辨率就只能区分到360/8=45°,而12bit的数字量,就可以达到360/4096=0.0879°的分辨率了
增量型编码器的TTL信号也是一个数字量,简单来说是通过数0101的脉冲来判断编码器所转动的角度,通常在实际应用中,码盘上会有一个标记点,一般会将这个标记点当作是编码器的零点,每次在这个零点这里产生的脉冲就代表编码器转动了一圈


TTL信号的分辨率取决于码盘上的栅格数量,栅格越多,分辨率越高。当然实际应用当中,码盘可能会比这个示意图更复杂,因为编码器可能本身就自带信号处理器,将码盘的信号进行处理之后再进行TTL信号输出
正弦编码器信号与上面两种不同,输出的是模拟量信号,如下图



与TTL信号类似的是,一个旋转周期里面会有多个信号周期。比如说,如果有一个编码器的分辨率是1024,最大转速是6000转,那么所需要的处理频率就要达到
1024 × 6000 ÷ 60 = 102.4 kHz
也就意味着信号处理器或者调制器就要至少有102.4kHz的带宽,这个概念和前面的Resolver又有点像了

好了,今天的文章看完是不是对编码器有了更深刻的认识了?下次在选择使用哪种类型的编码器的时候,也能够大致上知道这种类型的编码器有什么优缺点

 

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