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编码器杂谈 |
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作者：深圳艾而特工业设备有限公司 姜燕平 来源：《伺服控制》 |
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早期的编码器主要是旋转变压器，旋转变压器IP值高，能在一些比较恶劣的环境条件下工作，虽然因为对电磁干扰敏感以及解码复杂等缺点而逐渐退出，但是时至今日，仍然有其特有的价值，比如作为混合动力汽车的速度反馈，几乎是不可代替的，此外在环境恶劣的钢铁行业、水利水电行业，旋转变压器因为其防护等级高同样获得了广泛的应用。随着半导体技术的发展，后来便有霍尔传感器和光电编码器，霍尔传感器精度不高但价格便宜，而且不能耐高温，只适合用在一些低端场合，光电编码器正是由于克服了前面两种编码器的缺点而产生，它精度高，抗干扰能力强，接口简单使用方便因而获得了最广泛的应用。
多摩川
日本多摩川是编码器的专业生产厂家，主要生产旋转变压器以及增量式、绝对式编码器。产品广泛应用在航天军工、汽车制造、矿山设备、冶金、水利水电、船舶等各行各业。其在中国地区的总代理艾而特工业设备有限公司承担其产品在中国大陆的销售、服务、技术咨询等责任。
下面以旋转变压器、增量式编码器、绝对式编码器为例逐一进行介绍。
旋转变压器
简称旋变是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。
按励磁方式分，多摩川旋转变压器分BRT和BRX两种，BRT是单相励磁两相输出;BRX是双相励磁单相输出。用户往往选择BRT型的旋变，因为它易于解码。
使用旋变时一般要注意3个参数:传输比，励磁电压，励磁频率。传输比是指输出电压和输入电压的比值，励磁电压就是初级绕组的输入电压，就多摩川的旋转变压器来说，允许励磁电压可以从3V-1.2倍额定电压。
多摩川为自己的旋变开发了专门的解码芯片AU6802N1，并且艾而特公司有现成的解码板可供使用，解码板支持10kHz励磁频率，0.5的传输比，可以同时提供增量式和绝对式信号输出，增量式输出1024C/T，采用长线输出;绝对式输出12位/T，输出采用光电隔离，必要时可以根据客户需要调整。转换后的信号和编码器无异。
增量式编码器
每转过一个单位，编码器就输出一个脉冲，故称之为增量式;
多摩川的增量式编码器输出信号有长线输出，开集输出，电压输出，推拉互补输出四种方式。机械结构上分的话有中空轴和带轴编码器，可以满足各种不同的应用场合。
多摩川编码器型号众多，目前主要用在电梯曳引机、门机、伺服马达、数控设备等行业。
绝对式编码器
以某一点为参考原点，数据线始终输出编码器轴的当前位置偏离原点的距离的数据信息，是称绝对式编码器。比如，一款10位BCD码输出的编码器分辨率为360C/T，那么每个单位对应1°，如果轴偏离原点一个单位，也就是处在1°的位置，那么输出00 0000 0001，如果偏离50°，也就是在50°的位置， 那么输出就是00 0101 0000。绝对式编码器总是输出当前位置信息。由于这样的特点，绝对式编码器非常适合应用在跑轨迹的场合。
多摩川绝对式编码器型号齐全，从输出信号的编码方式来分类的话，有BCD码、GRAY码和纯2进制码(PB)输出;从输出方式来划分的话并行输出和串行输出；从分辨率来划分的话有从8位到36位不等。用户可以根据自己的需要进行选择。
此外绝对式编码器还有单回转和多回转之分，多回转计圈数而单回转不计圈数，多摩川绝对式编码器单回转最多可以作到20位，多回转16位。输出信号采用串行传送，经专用芯片转换后变为并行输出信号，可以直接送给DSP、MCU、FPGA等进行处理。
输出电路接口
对于分辨率不是很高的绝对式编码器来讲，一般适合采用并行输出，这样接口电路简单，而且通信速率高。采用并行输出的编码器输出回路主要有集电极开路（如图1所示）和射极跟随（如图2示）两种方式。集电极开路输出模式用户端需要加接上拉电阻，如图1中虚线所示；射极跟随模式下，则应加下拉电阻，如图2中虚线所示。
输出数据线对应从1、2、2²…2ⁿ的数据位，用户只需从数据总线直接读取编码器数据即可。
并行输出因为占用的数据线太多只被低分辨率的编码器采用，而高精度的编码器多不采用并行输出，而一般采用串行输出，以节省输出线。多摩川提供专用串并行转换芯片，用户可依照通信协议对其进行编程，将串行输出的编码器数据转换为并行输出，用户从转换芯片的输出端读取编码器位置数据。
多摩川公司的转换芯片有AU5561和AU5688两款，可以支持所有多摩川生产的串行输出的绝对式编码器的解码。
图3所示是编码器和AU5561转换芯片之间的接口电路，串行输出的绝对式编码器内部多采用ADM485或类似芯片作为输出，因此在用户端的解码板上需要采用和ADM485兼容的芯片，作为与转换芯片的中间接口电路。图4是整个的系统接口电路图，从图中可以看出，芯片共可输出40位，用户可以根据自己的CPU选择通讯模式， 16位、32位单片机或DSP模式。用户可以从用户数据总线上读取编码器数据。该芯片可以作为TS5647、TS5648、TS5667、TS5668、TS5669等型号的绝对式编码器转换用。采用该电路，波特率为2.5MB/S。比较适合在高速实时控制场合使用。
图3
图4
图5所示是另一款转换芯片AU5688转换芯片的时针电路，R1为1MΩ，C1、C2为10pF，晶振频率8MHz。
图5
该型编码器采用26LS31芯片作为输出级，因此在用户端的解码板上需要采用和26LS31对应的芯片，比如26LS32作为与转换芯片的中间接口电路。芯片共可输出16位数据线，低12位是单回转，高4位是多回转。 用户可以从用户数据总线上读取编码器数据。采用该电路，波特率为2.5Mbps。
图6是TS5643N50等编码器和转换芯片之间的接口电路。用户可以通过自己的CPU等控制器下发请求信号，编码器的输出数据通过26LS32送解码芯片转换后再经过AU5688转换为并行输出的数据，供用户读取。
图6
图7是TS5643N353等编码器和转换芯片之间的接口电路。编码器信号的进出都经过AU5688芯片，输出数据都是16位， 12位单回转，4位多回转。
图7
此外， 在通讯协议上，多摩川提供了比较完备的接口协议和用户通讯，具体内容不在此一一介绍， 有兴趣的读者朋友可以来电索取资料或咨询。
绝对式编码器的应用特点
旋转增量式编码器转动时输出脉冲，通过CPU计数来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，否则计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有报错后才能知道。
比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到传动马达响声，这就是CPU在找参考零点，然后才工作。
这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零(开机后就要知道准确位置)，于是就有了绝对编码器的出现。
绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道马达位置，什么时候就去读取它的位置， 不需要像增量式编码器那样去计算。甚至编码器带有备用电池这样，断电后编码器也能记忆断电前的位置信息，大大的提高了使用绝对式编码器的安全性和可靠性。
由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。其中最主要的就是应用在高精度的数控机床和伺服系统里面。在西方比较发达的国家，运动控制比较侧重于轨迹控制，如果采用绝对式编码器无疑将为控制提供更方便的位置信息。
结语
目前，多摩川已经推出最高达到36位的绝对式编码器，其中单回转20位，多回转16位。最大响应频率可以达到52MHz。可以真正实现高速高精度实时控制。
此外，在有些大功率的伺服马达上，由于初始化时用普通增量式编码器测位置误差较大，所以适合用绝对值加增量式编码器找磁极位置角，这样可以大大的提高其输出力矩，目前多摩川也已经推出混合式编码器。其增量式输出A、B、Z三相，绝对植输出24位，11单回转，13位多回转，能极大的提高伺服马达初始化时的定位精度。同时对位置控制和速度计算也都极为方便。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/11/2007) |
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