脉冲编码器的结构优化

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【摘要】：图3-20 脉冲编码器外形脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。可根据机床滚柱丝杠的螺距来选用相应的脉冲编码器。常用的为增量式脉冲编码器，而绝对值式脉冲编码器则用于有特殊要求的场合。绝对值式脉冲编码器的结构绝对值式脉冲编码器是一种直接编码和直接测量的检测装置。在数控机床上使用的绝对值式脉冲编码器，通常为光电式码盘结构。

1.脉冲编码器的结构

脉冲编码器的外形如图3-20所示，其是一种旋转式脉冲发生器。它把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移测量元件。

图3-20 脉冲编码器外形

脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。光电式的精度与可靠性都优于其他两种，因此数控机床上常使用光电脉冲编码器。由霍尔效应构成的电磁感应式脉冲发生器也可用作速度检测元件。光电脉冲发生器按每转发出的脉冲数的多少来分，又有多种型号。可根据机床滚柱丝杠的螺距来选用相应的脉冲编码器。光电式脉冲编码器按编码方式又可分为绝对值式和增量式两种，这两种在数控机床中均有应用。常用的为增量式脉冲编码器，而绝对值式脉冲编码器则用于有特殊要求的场合。

增量式编码器结构简单、成本低、使用方便。缺点是有可能由于噪声或其他外界干扰产生计数误差，如果遇到停电、刀具破损的停机，机床故障排除后不能再找到事故发生前运动部件的正确位置。而绝对值式编码器是利用其圆盘上的图案来表示数值的，坐标值可从绝对编码盘中直接读出，不会有累计进程中的误计数，运转速度可以提高。绝对式编码器本身具有机械式存储功能，即便因停电或其他原因造成坐标值清除，通电后仍可找到原绝对坐标位置。其缺点是，当进给转数大于一转时，需作特别处理，如使用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来组成多级检测装置。这样做会造成结构复杂且提高了成本。下面将分别介绍增量式编码器与绝对值式编码器的结构、工作原理与应用场合。

（1）增量式脉冲编码器的结构在一个圆盘的圆周上刻有相等间距的线纹，分为透明和不透明的部分，该线纹称为圆光栅。圆光栅与工作轴一起旋转。与圆光栅相对平行地放置一个固定的扇形薄片，该薄片称为指示光栅，上面刻有相差1/4节距的两个狭缝（在同一圆周上，称为辨向狭缝）和一个零位狭缝（一转输出一个脉冲信号）。脉冲编码器与伺服电动机相连，它的法兰盘固定在电动机的端面上。外面罩上防护罩，构成一个完整的角度检测装置或速度检测装置。基本结构如图3-21所示。

（2）绝对值式脉冲编码器的结构绝对值式脉冲编码器是一种直接编码和直接测量的检测装置。它能指示绝对位置，没有累计误差，电源切断后，位置信息不丢失。其装置通称为码盘。

从编码器使用的计数制来分类，有二进制码、二进制循环码（葛莱码）、二～十进制码等编码器。

从结构原理来分类，有接触式、光电式和电磁式等几种。最常用的是光电式二进制循环码编码器。

图3-21 增量式脉冲编码器

图3-22所示为绝对值式码盘结构示意图。图3-22a所示为纯二进制码盘，图3-22b所示为葛莱码盘。码盘上有许多同心圆（称为码道），它代表某种计数制的一位，每一个同心圆上有透光与不透光（或绝缘与导电）的部分。透光（或导电）部分为“1”，不透光（或绝缘）部分为“0”，这样组成了不同的图形。每一径向方向上，由若干同心圆组成的图形代表了某一绝对计数值。二进制码盘每转一个角度，计数图案的改变将按二进制规律变化。葛莱码盘的计数图案的切换每次只改变一位，误差可以控制在一个单位内。

2.脉冲编码器的工作原理

（1）增量式脉冲编码器的工作原理增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲：A、B和Z。A、B两组脉冲相位差90°，以判断旋转方向，如图3-23所示。Z脉冲为每转只有一个，基准点定位码盘转过一个刻线的角度，A信号就产生一个脉冲。如果码盘上有1000条线，则编码器输入轴转一周，A信号就有1000个脉冲。其测量角度的分辨率为360°/1000=0.36°。

图3-22 绝对值式码盘

a）进制码盘 b）葛莱码盘

一般运动控制卡将A、B信号的上升沿、下降沿的信息都利用起来，即编码器输入轴转一圈，可记录到4000个信号。使编码器的分辨率提高了4倍，分辨率为0.09°。此技术称为四分频技术。

（2）绝对值式脉冲编码器的工作原理在绝对值式脉冲编码器的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件。当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。

图3-23 增量式脉冲编码器正反转脉冲图

接触式码盘可以做到9位二进制，它的优点是结构简单、体积小、输出信号强，不需放大；缺点是电刷摩擦、寿命低、转速不能太高（几十转每分），而且精度受到最低位（最外圆上）分段宽度的限制。要求达到更大计数长度，可采用粗、精测量组合码盘。

光电式码盘没有接触磨损，寿命长、转速高。最外层每片宽度可以做得很小，因而精度高。单个码盘可以做到18位二进制。缺点是结构复杂、价格高。在数控机床上使用的绝对值式脉冲编码器，通常为光电式码盘结构。

（3）脉冲编码器的应用在数控机床上使用增量式脉冲编码器作为角度位置或速度检测，将检测信号反馈给数控系统，通常有两种方式：一是应用带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲P+和减计数脉冲P-；二是应用有计数控制和计数要求的计数器，形成方向控制信号DIR和计数脉冲P。图3-24a所示为第一种方式的电路图，图3-24b所示为其波形图。脉冲编码器的输出脉冲信号经过差分驱动和差分接受进入数控系统，再经过整形放大电路变为A₁、B₁两路脉冲。将A₁和它的反向信号A₁脉冲进行微分（图中为上升沿微分）作为加、减计数脉冲。B₁路脉冲信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时（顺时针旋转，A脉冲超前B脉冲），由y₂门输出加计数脉冲P+，此时y₁门输出为低电平；反走时（逆时针旋转，B脉冲超前A脉冲），由y1门输出减计数脉冲P-，此时y2门输出为低电平。

图3-24 增量式脉冲编码器应用（方式1）

a）电路图 b）波形图

图3-25a所示为产生方向控制信号和计数脉冲的电路图，图3-25b所示为其波形图。脉冲编码器的输出信号经差分、整形、微分、与非门C和D，由RS触发器（由1、2与非门组成）输出方向信号DIR，正走（顺时针旋转）时为“0”，反走（逆时针旋转）时为“1”。由与非门3输出计数脉冲P。

图3-25 增量式脉冲编码器应用（方式2）

a）电路图 b）波形图

正走时，A脉冲超前B脉冲。D门在A信号控制下，将B脉冲上升沿微分作为计数脉冲反向输出，为负脉冲。该脉冲经与非门3变为正向计数脉冲输出。D门输出的负脉冲同时又将触发器置为“0”状态，Q端输出“0”，作为正走方向控制信号。

反走时，B脉冲超前A脉冲。这时，由C门输出反走时的负计数脉冲，该负脉冲也由3门反向输出作为反走时的计数脉冲。不论正走、反走，与非门3都为计数脉冲输出门。反走时，C门输出的负脉冲使触发器置“1”，作为反走时的方向控制信号。

综上所述，检测单元的作用就是把工作台的机械位移量转换成一定形式的反馈信号送给比较单元。前面已经介绍了6种检测元件，各种检测元件有不同的工作方式，可组成多种检测单元。按检测单元输出反馈信号的形式，可分以下3类。

第一类是以方波信号作为反馈信号，其方波的相位代表被检测位移量的大小。如在相位工作状态下的旋转变压器、感应同步器等构成的检测单元。这一类检测单元的分辨率不仅与检测单元本身有关，也与比较单元有关。比较单元所能识别的最小信号变化量代表的位移量即是其分辨率。

第二类则是以脉冲信号作为反馈信号，脉冲的多少代表被测位移量的大小。如光栅及在幅值工作状态下的旋转变压器、同步感应器、磁栅等构成的检测单元。这一类检测单元的分辨率即为每个脉冲所代表的位移量。它只与检测单元本身有关，而与比较单元无关。

第三类即为各种码盘。码盘的输出信号是以开关信号形式表示的二进制编码，即数码信号。在实际应用时，码盘检测单元根据需要既可直接输出数码信号作为反馈信号，也可将数码信号转换成脉冲输出作为反馈信号。

脉冲编码器的结构优化

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