1、摘要 :本文簡(jiǎn)要介紹編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用特點(diǎn)和接口方法,其中重點(diǎn)介紹產(chǎn)品通信協(xié)議和硬件接口電 路以及專用的接收芯片 AU5561應(yīng)用方法。編碼器發(fā)展歷史早期的編碼器主要是旋轉(zhuǎn)變壓器,旋轉(zhuǎn)變壓器 IP 值高,能在一些比較惡劣的環(huán)境條件下工作,雖然因 為對(duì)電磁干擾敏感以及解碼復(fù)雜等缺點(diǎn)而逐漸退出,但是時(shí)至今日,仍然有其特有的價(jià)值,比如作為混合 動(dòng)力汽車的速度反饋,幾乎是不可代替的,此外在環(huán)境惡劣的鋼鐵行業(yè)、水利水電行業(yè),旋轉(zhuǎn)變壓器因?yàn)?其防護(hù)等級(jí)高同樣獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,后來便有霍爾傳感器和光電編碼器,霍爾 傳感器精度不高但價(jià)格便宜,而且不能耐高溫,只適合用在一些低端場(chǎng)合,光

2、電編碼器正是由于克服了前 面兩種編碼器的缺點(diǎn)而產(chǎn)生,它精度高,抗干擾能力強(qiáng),接口簡(jiǎn)單使用方便因而獲得了最廣泛的應(yīng)用。 編碼器的生產(chǎn)廠家很多, 這里以多摩川的產(chǎn)品為例進(jìn)行介紹。下面以旋轉(zhuǎn)變壓器、增量式編碼器、絕對(duì)式編碼器為例逐一進(jìn)行介紹。旋轉(zhuǎn)變壓器簡(jiǎn)稱旋變是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號(hào)元件。 當(dāng)勵(lì)磁繞組以一定頻率的交流電壓勵(lì)磁時(shí), 輸出 繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系,或保持某一比例關(guān)系,或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性 關(guān)系。按勵(lì)磁方式分,多摩川旋轉(zhuǎn)變壓器分 BRT 和 BRX 兩種, BRT 是單相勵(lì)磁兩相輸出; BRX 是雙相勵(lì)磁 單相輸出。用戶往往選擇 BRT 型的旋變,因?yàn)?/p>

3、它易于解碼。 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼圖 4旋轉(zhuǎn)變壓器電氣示意圖。旋變的輸入輸出電壓之間的具體函數(shù)關(guān)系如下所示:設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度為 ,初級(jí)線圈電壓(即勵(lì)磁電壓 :ER1-R2=E*Sin2ftf:勵(lì)磁頻率, E :信號(hào)幅度那么輸出電壓 ES1-S3=K*E*Sin2ft*Cos; ES2-S4=K*E*Sin2ft*SinK :傳輸比, :轉(zhuǎn)子偏離原點(diǎn)的角度令 =t ,即轉(zhuǎn)子做勻速運(yùn)動(dòng), 那么其輸出信號(hào)的函數(shù)曲線可表示為圖 5所示,圖中信號(hào)頻率為 f ,即勵(lì)磁信號(hào)頻率,最大幅度為 E ,包絡(luò)信號(hào)為 Sint和 Cost ,解碼器就是通過檢 測(cè)這兩組輸出信號(hào)獲取旋變位置信息的。不難看出,勵(lì)磁頻率越高, 旋變

4、解碼精度也就越高, 而勵(lì)磁電壓幅度則對(duì)解碼沒有很明顯的影響。只 需達(dá)到一定的電壓數(shù)值即可 , 一般來講 3V1.2倍額定電壓都可滿足解碼需求。多摩川為自己的旋變開發(fā)了專門的解碼芯片 AU6802N1,并且艾而特公司有現(xiàn)成的解碼板可供使用, 解碼板支持 10KHZ 勵(lì)磁頻率, 0.5的傳輸比,可以同時(shí)提供增量式和絕對(duì)式信號(hào)輸出,增量式輸出1024C/T,采用長(zhǎng)線輸出;絕對(duì)式輸出 12位 /T,輸出采用光電隔離,必要時(shí)可以根據(jù)客戶需要調(diào)整。轉(zhuǎn) 換后的信號(hào)和編碼器無異。使用旋變解碼板時(shí)一般要注意 3個(gè)參數(shù):傳輸比,勵(lì)磁電壓,勵(lì)磁頻率。傳輸比是指輸出電壓和輸入 電壓的比值,勵(lì)磁電壓就是初級(jí)繞組的輸入電

5、壓,就多摩川的旋轉(zhuǎn)變壓器來說, 允許勵(lì)磁電壓可以從 3V 到 1.2倍額定電壓。這 3 個(gè)參數(shù)需要完全匹配才能正常解碼。圖 5增量式編碼器每轉(zhuǎn)過一個(gè)單位,編碼器就輸出一個(gè)脈沖,故稱之為增量式;多摩川的增量式編碼器輸出信號(hào)有長(zhǎng)線輸出,開集輸出,電壓輸出,推拉互補(bǔ)輸出四種方式。機(jī)械結(jié)構(gòu) 上分的話有中空軸和帶軸編碼器,可以滿足各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合。多摩川編碼器型號(hào)眾多,目前主要用在電梯曳引機(jī)、門機(jī)、伺服馬達(dá)、數(shù)控設(shè)備等行業(yè)。絕對(duì)式編碼器以某一點(diǎn)為參考原點(diǎn),數(shù)據(jù)線始終輸出編碼器軸的當(dāng)前位置偏離原點(diǎn)的距離的數(shù)據(jù)信息, 是稱絕對(duì)式編 碼器。比如,一款 10位 BCD 碼輸出的編碼器分辨率為 360C/T,那

6、么每個(gè)單位對(duì)應(yīng) 1°,如果軸偏離原 點(diǎn)一個(gè)單位, 也就是處在 1°的位置, 那么輸出 0000000001, 如果偏離 50°, 也就是在 50°的位置, 那 么輸出就是 0001010000。絕對(duì)式編碼器總是輸出當(dāng)前位置信息。由于這樣的特點(diǎn),絕對(duì)式編碼器非常 適合應(yīng)用在跑軌跡的場(chǎng)合。多摩川絕對(duì)式編碼器型號(hào)齊全,從輸出信號(hào)的編碼方式來分類的話, 有 BCD 碼、 GRAY 碼和純 2進(jìn) 制碼(PB 輸出;從輸出方式來劃分的話并行輸出和串行輸出;從分辨率來劃分的話有從 8位到 36位不 等。用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇。此外絕對(duì)式編碼器還有單回轉(zhuǎn)和多回轉(zhuǎn)

7、之分, 多回轉(zhuǎn)計(jì)圈數(shù)而單回轉(zhuǎn)不計(jì)圈數(shù), 多摩川絕對(duì)式編碼器單 回轉(zhuǎn)最多可以作到 20位,多回轉(zhuǎn) 16位。輸出信號(hào)采用串行傳送,經(jīng)專用芯片轉(zhuǎn)換后變?yōu)椴⑿休敵鲂盘?hào), 可以直接送給 DSP 、 MCU 、 FPGA 等進(jìn)行處理。輸出電路接口對(duì)于分辨率不是很高的絕對(duì)式編碼器來講, 一般適合采用并行輸出,這樣接口電路簡(jiǎn)單,而且通信速率 高。 采用并行輸出的編碼器輸出回路主要有集電極開路(如圖 1所示和射極跟隨 (如圖 2示兩種方式。 集電極開路輸出模式用戶端需要加接上拉電阻,如圖 1中虛線所示;射極跟隨模式下,則應(yīng)加下拉電阻,如圖 2中虛線所示。輸出數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)從 1、 2、 22 2? 的數(shù)據(jù)位,用戶只

8、需從數(shù)據(jù)總線直接讀取編碼器數(shù)據(jù)即可。圖 4圖 5所示是另一款轉(zhuǎn)換芯片 AU5688轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)針電路, R1為 1M , C1、 C2為 10PF ,晶振頻 率 8M 。該型編碼器采用 26LS31芯片作為輸出級(jí), 因此在用戶端的解碼板上需要采用和 26LS31對(duì)應(yīng)的芯片, 比如 26LS32作為與轉(zhuǎn)換芯片的中間接口電路。芯片共可輸出 16位數(shù)據(jù)線,低 12位是單回轉(zhuǎn),高 4位 是多回轉(zhuǎn)。 用戶可以從用戶數(shù)據(jù)總線上讀取編碼器數(shù)據(jù)。采用該電路,波特率為 2.5MB/S 。圖 5圖 6是 TS5643N50等編碼器和轉(zhuǎn)換芯片之間的接口電路。 用戶可以通過自己的 CPU 等控制器下發(fā)請(qǐng) 求信號(hào),編碼

9、器的輸出數(shù)據(jù)通過 26LS32送解碼芯片轉(zhuǎn)換后再經(jīng)過 AU5688轉(zhuǎn)換為并行輸出的數(shù)據(jù),供 用戶讀取。 圖 6圖 7是 TS5643N353等編碼器和轉(zhuǎn)換芯片之間的接口電路。 編碼器信號(hào)的進(jìn)出都經(jīng)過 AU5688芯片, 輸出數(shù)據(jù)都是 16位, 12位單回轉(zhuǎn), 4位多回轉(zhuǎn)。 圖 7此外, 在通訊協(xié)議上,多摩川提供了比較完備的接口協(xié)議和用戶通訊,具體內(nèi)容不在此一一介紹, 有 興趣的讀者朋友可以來電索取資料或咨詢。絕對(duì)式編碼器應(yīng)用特點(diǎn)旋轉(zhuǎn)增量式編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖,通過 CPU 計(jì)數(shù)來知道其位置,當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí),依靠計(jì)數(shù) 設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣,當(dāng)停電后,編碼器不能有任何的移動(dòng),當(dāng)來電

10、工作時(shí),編碼器輸出脈 沖過程中,也不能有干擾而丟失脈沖,否則計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移,而且這種偏移的量是無從知道 的,只有報(bào)錯(cuò)后才能知道。比如,打印機(jī)掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理,每次開機(jī),我們都能聽到傳動(dòng)馬達(dá)響聲,這 就是 CPU 在找參考零點(diǎn),然后才工作。這樣的方法對(duì)有些工控項(xiàng)目比較麻煩,甚至不允許開機(jī)找零(開機(jī)后就要知道準(zhǔn)確位置,于是就有 了絕對(duì)編碼器的出現(xiàn)。絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性,它無需記憶,無需找參考點(diǎn),而且不用一直計(jì)數(shù), 什么時(shí)候需要知道馬達(dá)位置, 什么時(shí)候就去讀取它的位置, 不需要象增量式編碼器那樣去計(jì)算。甚至編碼 器帶有備用電池這樣,斷電后編碼器也能記憶斷電前的位置信息,大大的提高了使用絕對(duì)式編碼器的安全 性和可靠性。由于絕對(duì)編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器,已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。其中最主 要的就是應(yīng)用在高精度的數(shù)控機(jī)床和伺服系統(tǒng)里面。在西方比較發(fā)達(dá)的國家,運(yùn)動(dòng)控制比較側(cè)重于軌跡控 制,如果采用絕對(duì)式編碼器無疑將為控制提供更方便的位置信息。目前,多摩川已經(jīng)推出最高達(dá)到 36位的絕對(duì)式編碼器,其中單回轉(zhuǎn) 20位,多回轉(zhuǎn) 16位。最大響應(yīng) 頻率可以達(dá)到 52MHZ 。可以真正實(shí)現(xiàn)高速高精度實(shí)時(shí)控制。此外,在有些大功率的