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串的形式提供电信号，这些电信号又可以转换为运动、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，它由发光二极管 (LED)、磁盘和位于磁盘另一侧的光检测器组成。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图案。当圆盘旋转时，不透明的部分会阻挡光线，而在玻璃清晰的地方，光线可以通过。这会生成方波脉冲，然后可以将其解释为位置或运动。

编码器通常每转具有 100 到 6,000 个段。这意味着这些编码器可以为 100 段编码器提供 3.6 度的分辨率，为 6,000 段编码器提供 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，不同之处在于它不是旋转盘，而是沿其表面带有透明狭缝的静止不透明条带，并且 LED 检测器组件连接到移动体。

图 1.光编码器组件具有一组脉冲的编码器将没有用，因为它无法指示旋转方向。使用两个扇区相位相差 90 度的代码轨道（图 2），正交编码器的两个输出通道指示旋转的位置和方向。例如，如果 A 领先 B，则磁盘以顺时针方向旋转。如果 B 领先 A，则圆盘以逆时针方向旋转。因此，通过监视脉冲数和信号 A 和 B 的相对相位，您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，一些正交编码器包括第三个输出通道——称为零信号或参考信号——每转提供一个脉冲。您可以使用该单脉冲精确确定参考位置。在大多数编码器中，此信号称为 Z 端子或索引。

到目前为止，本文档仅讨论了所谓的单端增量正交编码器。它们被称为单端，因为 A 和 B 信号都以地为参考，因此每个信号只有一根导线（或末端）。另一种常用的编码器是差分编码器，其中每个 A 和 B 信号有两条线。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一个已知电压（或者 0 Vcc 的 V）。当A为Vcc时，A'为0V，当A为0V时，A'为Vcc。在单端编码器的情况下，A 要么是 Vcc，要么是浮动的。差分编码器通常用于电噪声环境，因为进行差分测量可以保护信号的完整性。

使用增量式编码器，您只能测量位置变化（您可以以此确定速度和加速度），但无法确定对象的绝对位置。第三种编码器称为绝对编码器，能够确定物体的绝对位置。这种类型的编码器像增量编码器一样具有交替的不透明和透明段，但绝对编码器使用多组段，在编码器轮上形成同心圆，就像靶子或飞镖板上的靶心一样。同心圆从编码器轮的中间开始，随着环向外延伸，它们每个的段数都是前一个内环的两倍。第一个环是最里面的环，有一个透明和一个不透明的部分。从中间出来的第二个环有两个透明和两个不透明的部分，第三个环每个部分有四个。如果编码器有 10 个环，它的最外环有 512 个段，如果它有 16 个环，则最外环有 32,767 个段。

因为绝对编码器的每个环的段数是前一个环的两倍，所以这些值形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10环编码器有10组光源和接收器，16环编码器有16组光源和接收器。

绝对编码器的优点是您可以将其减速，以便编码器轮在机器行程的整个长度内旋转一圈。如果机器行程长度为 10 英寸，其编码器分辨率为 16 位，则机器分辨率为 10/65,536，即 0.00015 英寸。如果机器行程较长，例如 6 英尺，则为粗旋转变压器可以跟踪每英尺的行程，第二个称为精细旋转变压器的旋转变压器可以跟踪 1 英尺内的位置。这意味着您可以调整粗编码器，使其在整个 6 英尺的距离和齿轮上旋转一圈精细编码器，使其整个分辨率分布在 1 英尺（12 英寸）范围内。

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。基于其多个输入，基本计数器发出一个值，该值表示计数的边沿（波形中的低到高转换）数。大多数计数器都有三个相关的输入——门、源和向上/向下。计数器对源输入中注册的事件进行计数，并根据上行/下行线的状态，增加或减少计数。例如，如果上行/下行线为“高”，则计数器递增计数，如果为“低”，则计数器递减计数。图 3 显示了一个计数器的简化版本。

图 3.计数器的简化模型编码器通常有五根电线需要连接到仪器上，并且根据编码器的不同，这些电线的颜色会有所不同。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排列表。

图 4.增量编码器引脚排列下一步是确定应该在哪里连接这些电线。考虑到上述计数器，信号 A 连接到源极端子，使其成为从中计数脉冲的信号。信号 B 连接到 up/down 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。

计算边缘数后，您需要考虑的下一个概念是如何将这些值转换为位置。边缘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 编码产生的增量和减量。当通道A超前B通道时，增量发生在通道A的上升沿。当通道B超前通道A时，减量发生在通道A的下降沿。

图 5. X1 编码X2 编码 X2 编码

的行为相同，除了在通道 A 的每个边缘上计数器递增或递减，这取决于哪个通道领先另一个。每个周期都会导致两次递增或递减，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。计数器是增加还是减少取决于哪个通道领先另一个。每个周期都会产生四次递增或递减，如图 7 所示。

图 7. X4 编码设置编码类型并计算脉冲数后，转换为位置是使用以下公式之一的问题：



对于旋转位置 旋转

量是

其中 N = 编码器每转轴产生的脉冲数

x = 编码类型

对于线性位置

位移量是

其中 PPI = 每英寸脉冲数（特定于每个编码器的参数）

将编码器连接到仪器

在本文中，考虑使用NI cDAQ-9178 机箱和 NI 9401 C 系列数字 I/O 模块的示例 。使用不同的测量仪器或设备时，该过程是相似的。

图 8. NI cDAQ-9178 机箱和 NI 9401 数字 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 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。CompactDAQ 机箱的四个计数器可在机箱的任何插槽中访问；如果您使用的是 cDAQ-9172，则只能通过插槽 5 和 6 访问其两个计数器，因此将 9401 插入插槽 5。图 9 显示了此配置的引脚排列，表 1 显示了默认计数器端子。

图 9. NI 9401 引脚排列（插槽 5）

表 1.默认计数器端子

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，“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，您可以使用 NI LabVIEW 图形编程软件将数据传输到计算机中进行可视化和分析。

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