如何快速感測機械軸的旋轉?答案是「旋轉編碼器」

關鍵詞：旋轉編碼器, 編碼器, 傳感器, 測量, 感測, 旋轉, 機械軸

在數字時代，需要快速高效地測量電機或旋轉儀器旋鈕上的機械軸的旋轉。諸如電位計和旋轉開關之類的模擬方法正在被可將旋轉運動直接數位化的旋轉編碼器所取代，但設計人員需要能夠理解各種編碼器類型之間的差異，並準確解析編碼器的數字輸出。

 

本文將介紹旋轉編碼器的作用及其工作原理。然後說明如何解析其信號，最後再介紹幾個編碼器解決方案及其實際應用。

旋轉編碼器是一種測量機械軸旋轉的傳感器。軸可位於電機上，旋轉編碼器就在這裡讀取角位置或轉速。它們還可以讀取儀器或設備前面板上的錶盤、旋鈕或其他電子控制裝置的角位置，替代電位計和旋轉開關。

 

讓我們來看看家電上的定時器控制裝置。在以前的模擬時代，可使用可變電阻器或電位計來感測該控制裝置的位置。利用當今基於微處理器的設計，旋轉編碼器可生成更高效的數字輸入。

 

編碼器還可以用在控制系統中，為機械零件提供反饋，讓它進行移動以正確響應控制命令。無論是汽車還是機器人設備中的控制系統，編碼器都可以為控制微處理器提供必要的感測。像單匝電位計這樣的舊式解決方案感測不到軸的完整旋轉，但旋轉編碼器可感測完整旋轉且無需停止。

 

旋轉編碼器將這些機械位移轉換為可發送到處理器進行解析的電信號。根據編碼器的電輸出，可以推導出旋轉方向、角位置和旋轉速度。與電位計相比，旋轉編碼器的數字輸出使得這個過程更簡單。

編碼器主要有兩種類型，增量編碼器和絕對編碼器。增量編碼器讀取角度位移的變化，而絕對編碼器讀取編碼軸的絕對角度。它們是使用了三種常用技術來實現的，即光學、機械或磁性技術。

 

光學編碼器採用編碼圓盤構造，碼盤具有透光和遮光區段，可讓光透過特定區域。光電二極體在碼盤兩側使用LED和光電二極體（圖1），光電二極體檢測透過碼盤的光，並輸出對應碼盤區段上透光和遮光圖案的脈衝波形。

 

圖1：增量式和絕對式碼盤示例。增量式碼盤產生兩個方波信號，它們之間有90°的相位差。絕對式碼盤輸出二進位編碼數據。（圖片來源：Digi-KeyElectronics）

 

圖1中的絕對式碼盤有四個輸出，為碼盤上每個區段提供唯一的二進位代碼，在此例中該代碼為16（表1）。二進位代碼的替代方案是格雷碼，它是一種相鄰二進位字間僅差一個位元改變的二進位代碼。

表1：四位絕對編碼器的十六個二進位狀態。（表格來源：Digi-Key Electronics）

 

增量式碼盤生成的圖案由兩個方波組成，相位差為90°，稱為正交輸出。也可以使用單行圖案和兩個移位相當於90° 相移的光電傳感器實現此輸出。

 

正交增量編碼器的輸出通常稱為「A」和「B」。編碼器還可以包括第三脈衝，每轉一次產生一個脈衝，被稱為索引脈衝，提供已知的物理參考。通過將索引脈衝與正交輸出相結合，可以計算出絕對軸方向。

 

通過獲取兩個具有90°相移的輸出，不僅可以感測角度旋轉，還可以感測旋轉方向（圖2）。

圖2：正交信號之間的相位關係可確定編碼器碼盤的運動方向。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

編碼器軸順時針旋轉時，A波形將引導B波形。如果旋轉方向變為逆時針方向，則信號B將引導信號A。

 

利用兩個正交信號，可以解析每個周期的四種狀態。單個周期內的狀態為A = 1 和 B = 0、A = 1 和 B = 1、A = 0 和 B = 1 以及最後的 A = 0 和 B = 0。這意味著正交輸出編碼器的角度解析度是每轉額定脈衝數(PPR) 的四倍。

 

通過在示波器上查看和測量光學編碼器的正交輸出，可以得到輸出之間的相位關係（圖3）。A信號顯示在上方跡線中，而B信號顯示在下方跡線中。設置示波器相位參數P1來測量A和B信號之間的相位差。兩個信號之間的平均相位差為90.4˚。

圖3：每轉512脈衝數光學編碼器的正交輸出顯示了A和B信號輸出間的相位關係（圖片來源：Digi-KeyElectronics）

 

在該示例中僅使用單個A輸出，因為編碼器被用作轉速計，測量電機的轉速。使用示波器參數P2測得A信號的頻率為28.87千赫茲 (kHz)。此數值除以每轉512脈衝數 (PPR) 轉換為軸速度，然後乘以60得到軸角速度（單位為每分鐘轉數 (RPM)），即參數P3中的讀數3383RPM。

 

基於這些數字，該編碼器的512PPR可提供0.7度的基本解析度。通過解析A/B狀態，解析度則可達0.175˚。

 

光學編碼器在所有編碼器類型中解析度最高，這是其天生優勢。由於其成本較低，因此很適合價格低廉的低端應用。缺點是，它們可能較為笨重。

 

機械編碼器使用一個旋轉碼盤，其中包含與光學編碼器所用圖案相同的同心環。在這些同心環中，圖案由導電區和絕緣區組成。固定電刷觸點在旋轉碼盤上滑動，與每個環接觸，起到開關的作用。隨著觸點在碼盤表面來回刷動，在刷過導電區時進行接觸，或在刷過絕緣區時斷開。通過這種方式為每個環開發出一個數字圖案。

 

機械編碼器可能出現的一個問題是觸點抖動會引起噪聲。通過使用低通濾波可以消除此類噪聲，或在抖動噪聲消失後使用軟體查看輸出狀態。

 

機械編碼器通常是最便宜的編碼器類型。它們在電子前面板上通常作為用戶接口設備，用來取代電位計。

 

磁性旋轉編碼器使用了一塊多極圓形磁鐵。通過霍爾效應或磁阻傳感器來檢測交替的南北磁極，隨著磁鐵轉動而產生正交電輸出。與光學編碼器一樣，磁性編碼器為非接觸式，相比接觸式機械編碼器，操作時速度更高，持續時間更長。

旋轉編碼器的機電特性要求其與機械裝置連接，或需要用戶操作。在電子設備上用作控制接口時，編碼器會使用實心軸，並且通常使用面板安裝襯套安裝在控制面板上，同時會使用五金件進行固定。

 

設計人員可以選擇諸如棘爪之類的選件，以便在編碼器旋轉時引起機械「咔嗒」聲，從而為用戶提供編碼器軸正在移動的觸覺反饋。設計人員還可以選擇一個瞬時接觸開關，通過按下編碼器軸來激活。

 

安裝在旋轉機器（如電機或伺服電機）上的編碼器有空心軸或盲軸兩種選擇（圖4）。

圖4：採用空心軸或盲軸配置的編碼器可安裝在電機或其他機電設備上。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

空心軸編碼器安裝在電機或類似機械裝置的軸上。這樣可確保其與被監控設備同心安裝，避免出現不對稱或角度誤差。盲軸是深度有限的空心軸，用於將編碼器安裝在電機軸的端部。

編碼器選擇和應用

旋轉編碼器的選擇取決於應用要求和環境以及成本限制。

 

CTS Electronic Components 的291V1022F832AB 是一種光學增量編碼器，具有8PPR角度解析度，採用5伏電源供電（圖5）。291系列支持4至64PPR的PPR解析度，提供不同的軸類型和長度以及棘爪選擇，還可搭配一個一體式開關。該編碼器的額定旋轉壽命高達300萬轉。

圖5：用於面板安裝控制裝置的帶有典型螺紋襯套、鎖緊墊圈和鎖緊螺母的CTS 291V1022F832AB。（圖片來源：CTS）

 

CTS291系列光學編碼器非常適合用於儀器控制應用，包括醫療和實驗室設備、通信、工業、HVAC、運輸、安全、音頻和家庭娛樂設備。

 

Bourns Inc. 的EMS22Q51-D28-LT4 是一款32 PPR至256 PPR增量式磁性編碼器，採用5伏或3.3伏電源供電。該器件是EMS22Q系列非接觸式編碼器的一員，支持32至256PPR角度解析度。與之前的編碼器一樣，它具有多種可用的軸和襯套配置，但額定旋轉壽命達5000萬轉。這些編碼器非常適合用於溫度極端、潮溼和存在顆粒汙染的惡劣工業環境。

 

此外，與許多編碼器一樣，該設備的連接和使用很簡單（圖 6）。

圖6：EMS22Q51-D28-LT4的引腳詳細信息（左側插圖）和框圖顯示了將256PPR增量磁性非接觸式編碼器連接到微控制器的簡易性。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

EMS22Q系列有六個引腳。電源和接地引腳各一個，連接微控制器或微處理器的低有效片選一個，索引引腳一個，數據引腳兩個（A和B）。得到的正交輸出如圖7所示。

圖7：PPR範圍為32至256的EMS22Q產生的正交輸出。（圖片來源：Bourns Inc.）

 

機械編碼器對於低成本和業餘愛好者應用設備的設計人員來說，非常有用，如TT Electronics 的EN11-HSM1AF15 20 PPR編碼器。該編碼器屬EN11系列，提供15或20 PPR的角度解析度、各種軸和襯套長度、可選開關以及多種棘爪配置選擇。該編碼器採用5伏電源供電，價格約為光學編碼器的十分之一，旋轉壽命為30,000轉。

旋轉編碼器可快速有效地感測前面板控制裝置、機器人手臂或旋轉電機軸的角度旋轉並進行數位化轉換，滿足相關需求。增量編碼器或絕對編碼器為微處理器或微控制器提供了必要的接口，可感測和控制機電系統組件。

如有任何問題, 歡迎聯繫得捷電子Digi-Key的客服團隊。

中國(人民幣)客服

－ 400-920-1199

－ [e-mail]

－ QQ在線實時諮詢 (QQ號：4009201199)

中國(美金)／ 香港客服

－ 400-882-4440

－ 852-3104-0500

－ [e-mail]

關注Digi-Key得捷電子官方微信，定時接收工程師信息和秘籍分享。

---

最新有關digikey_electronics的文章