编码器测量:操作指南

更新 Apr 30, 2021

本文档介绍了编码器理论,测量编码器的基础知识以及使用NI硬件测量编码器的选件。

编码器和应用概述

编码器是一种可以测量运动或位置的机电设备。大多数编码器使用光学传感器以脉冲序列的形式提供电信号,然后可以将其转换为运动,方向或位置。

旋转编码器用于测量轴的旋转运动。图1显示了旋转编码器的基本组件,该编码器由一个发光二极管(LED),一个磁盘和一个位于磁盘相对侧的光检测器组成。安装在旋转轴上的磁盘具有编码到磁盘中的不透明和透明扇区的图案。当磁盘旋转时,不透明的部分会挡住光线,并且在玻璃透明的地方允许光线通过。这会产生方波脉冲,然后可以将其解释为位置或运动。

编码器每转通常有100到6,000个段。这意味着这些编码器可以为100段的编码器提供3.6度的分辨率,为6,000段的编码器提供0.06度的分辨率。

线性编码器的工作原理与旋转编码器相同,不同之处在于,线性编码器不是旋转盘,而是固定不透明带,其表面上有透明缝,并且LED检测器组件固定在移动体上。

图1.光学编码器组件
具有一组脉冲的编码器将无法使用,因为它无法指示旋转方向。使用两个扇区的相位相差90度的代码(图2),正交编码器的两个输出通道可同时指示旋转的位置和方向。例如,如果A引导B,则磁盘沿顺时针方向旋转。如果B领先于A,则磁盘将沿逆时针方向旋转。因此,通过同时监视脉冲数和信号A和B的相对相位,可以跟踪旋转的位置和方向。

图2.正交编码器A和B输出信号
此外,某些正交编码器还包括第三输出通道-称为零或参考信号-每转提供一个脉冲。您可以使用该单个脉冲来精确确定参考位置。在大多数编码器中,此信号称为Z端子或索引。

到目前为止,该文档仅解决了所谓的单端增量正交编码器。这些之所以称为单端,是因为A和B信号均以地为参考,因此每个信号只有一根导线(或一端)。编码器的另一种常用类型是差分编码器,其中每个A和B信号都有两条线。 A信号的两条线是A'和A,B信号的两条线是B'和B。这种类型的配置也称为推挽,因为所有四条线始终提供已知的电压(或者0 Vcc)。当A为Vcc时,A'为0 V;当A为0 V时,A'为Vcc。对于单端编码器,A为Vcc或为浮点型。差分编码器通常用于电气噪声环境,因为进行差分测量可以保护信号的完整性。

使用增量编码器,您只能测量位置变化(从中可以确定速度和加速度),但无法确定对象的绝对位置。第三类编码器,称为绝对编码器,能够确定物体的绝对位置。这种类型的编码器具有交替的不透明段和透明段,例如增量编码器,但是绝对编码器使用多组段,这些段在编码器轮上形成同心圆,就像目标或飞镖靶上的靶心。同心圆从编码器轮的中间开始,并且当环朝着环的外侧伸出时,它们各自的段数是前一个内环的两倍。第一个环是最里面的环,具有一个透明段和一个不透明段。从中间出来的第二个环有两个透明段和两个不透明的段,第三个环每个段有四个。如果编码器有10个环,则其最外面的环具有512段,如果编码器有16个环,则最外部的环具有32,767段。

由于绝对编码器的每个环都具有前一个环的段数的两倍,因此这些值构成了二进制计数系统的数字。在这种类型的编码器中,编码器轮上的每个环都有一个光源和接收器。这意味着具有10个环的编码器具有10组光源和接收器,具有16个环的编码器具有16个光源和接收器。

绝对值编码器的优点是您可以将其减速,以使编码器轮在整个机器行程中旋转一圈。如果机器的行程长度为10英寸,并且其编码器具有16位分辨率,则机器的分辨率为10 / 65,536,即0.00015英寸。如果机器的行程较长,例如6英尺,则粗略旋转变压器可以跟踪每英尺的行进,而第二个旋转变压器称为精细旋转变压器,可以将位置跟踪在1英尺之内。这意味着您可以使粗编码器齿轮啮合,从而使其在整个6英尺的距离内旋转一圈精细的编码器,以使其整个分辨率扩展到1英尺(12英寸)。

如何进行编码器测量

要进行编码器测量,您需要一个称为计数器的基本电子组件。基于其几个输入,基本计数器会发出一个值,该值表示所计数的边沿数量(波形中从低到高的跳变)。大多数计数器具有三个相关输入-门,源和上/下。计数器对在源输入中注册的事件进行计数,并根据上/下线的状态,增加或减少计数。例如,如果上/下线为“高”,则计数器递增计数;如果为“低”,则计数器递减计数。图3显示了计数器的简化版本。

图3.计数器的简化模型
编码器通常需要连接到仪器的五根电线,并且根据编码器的不同,这些电线的颜色也会有所不同。您可以使用这些电线为编码器供电并读取A,B和Z信号。图4显示了增量编码器的典型引脚分配表。

图4.增量编码器引脚排列
下一步是确定应在何处连接这些导线。考虑到上述计数器,信号A连接到源极端子,使之成为从中计数脉冲的信号。信号B连接到上/下端子,您可以将+5 VDC和接地信号连接到任何电源-在大多数情况下,数据采集设备卡中的数字线就足够了。

计算完边缘后,您需要考虑的下一个概念是如何将这些值转换为位置。边沿计数转换为位置的过程取决于所使用的编码类型。共有三种基本的编码类型:X1,X2和X4。

X1编码

图5显示了一个正交周期以及X1编码的结果增量和减量。当通道A领先于通道B时,增量发生在通道A的上升沿。当通道B领先于通道A时,减量发生在通道A的下降沿。

图5. X1编码
X2编码

对于X2编码,行为相同,只是计数器在通道A的每个边缘上递增或递减,这取决于哪个通道领先于另一个通道。每个周期导致两个增量或减量,如图6所示。

图6 。 X2编码
X4编码

对于X4编码,计数器在通道A和B的每个边缘上类似地递增或递减。计数器是递增还是递减取决于哪个通道领先于另一个通道。每个周期导致四个增量或减量,如图7所示。

图7. X4编码
一旦设置了编码类型并计算了脉冲数,就可以使用以下公式之一转换为位置:



旋转位置

旋转量为

其中N =编码器每转一圈产生的脉冲数

x =编码类型

对于线性位置

排量为

其中PPI =每英寸脉冲数(每个编码器特定的参数)

将编码器连接到仪器

在本节中,以使用NI cDAQ-9178机箱和NI 9401 C系列数字量I / O模块为例。使用其他测量仪器或设备时,此过程类似。


图8. NI cDAQ-9178机箱和NI 9401数字量I / O模块

所需设备:

  • NI CompactDAQ机箱
  • NI 9401八通道,5 V / TTL高速双向数字I / O模块
  • 24脉冲/转旋转正交编码器

NI 9401具有一个DSUB连接器,可为八个数字通道提供连接。每个通道都有一个数字I / O引脚,您可以将数字输入或输出设备连接到该引脚。在机箱的任何插槽中均可访问CompactDAQ机箱的四个计数器。如果使用的是cDAQ-9172,则只能通过插槽5和6来访问其两个计数器,因此请将9401插入插槽5。图9显示了此配置的引脚,表1显示了默认的计数器端子。


图9. NI 9401引脚分配(插槽5)


表1.默认计数器终端

根据这些规范,导线A连接到引脚14,导线B连接到引脚17,“ 5 VDC电源”连接到设置为“高”的任何未使用的数字线路,“接地”连接到任何COM端子。

开始查看您的测量

现在,您已将编码器连接到测量设备,可以使用NI LabVIEW图形化编程软件将数据传输到计算机中以进行可视化和分析。

表1显示了在LabVIEW编程环境中显示边沿计数和相应位置增量的示例。


图10. LabVIEW前面板显示测量结果