脉冲编码器的详细解析

脉冲编码器作为一种关键的位置和速度检测元件，在现代工业中发挥着至关重要的作用。本文将从脉冲编码器的定义、工作原理、分类、优缺点、应用等多个方面，对其进行全面而详细的解析。

一、定义与性质

脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，它通过将编码盘直接装在电机的旋转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化。其输出信号为电脉冲，因此也常被视作一种角位移传感器，同时也可用作速度检测装置。

二、分类与结构

1. 分类：

● 根据脉冲编码器的结构和检测方式，可分为接触式、光电式、电磁式三种。其中，光电式脉冲编码器因其精度与可靠性都优于其他两种，应用最为广泛。

● 根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

2. 结构：

● 脉冲编码器通常由一个圆盘上刻有等间距线纹的圆光栅和一个固定的扇形薄片指示光栅组成。圆光栅与工作轴一起旋转，而指示光栅则平行放置并固定不动。

● 圆光栅分为透明和不透明的部分，当光线透过两个光栅的线纹部分时，会形成明暗相间的条纹。这些条纹被光电元件接收并转换为交替变换的电信号。

三、工作原理

当圆光栅与工作轴一起转动时，光线透过两个光栅的线纹部分形成明暗相间的条纹。光电元件接收这些明暗相间的光信号，并将其转换为近似于正弦波的电流信号A和B。A和B信号相位相差90°，经过放大和整形后变成方形波。通过测量这两个信号的脉冲数目和频率，可以测出工作轴的转角及转速。此外，还有一个“每转脉冲”称为Z相脉冲，用于产生机床的基准点。

四、优缺点

1. 优点：

● 无摩擦和磨损：由于采用非接触式检测方式，因此避免了传统机械式传感器的摩擦和磨损问题。

● 驱动力矩小：脉冲编码器对电机的驱动力矩要求较小，不会给电机带来额外的负担。

● 响应速度快：能够实时反映轴的旋转位置和速度变化，具有较快的响应速度。

2. 缺点：

● 抗污染能力差：光电元件对光线敏感，容易受到灰尘、油污等污染物的干扰而影响测量精度。

● 容易损坏：由于采用精密的光学元件和电路结构，因此脉冲编码器在受到冲击或振动时容易损坏。

五、应用与测量

脉冲编码器在机械设备、工业自动化、机床、电机控制以及机器人等领域有着广泛的应用。它能够实时监测和控制物体的位置及速度，提供高精度的测量结果。在测量方面，脉冲编码器的输出信号包括A、B、Z三相，其中A、B两相用于测量位置和方向，Z相用于产生基准点。通过测量A、B两相的脉冲数目和频率以及它们的相位关系，可以精确计算出被测轴的角位移、转速和旋转方向。

六、信号类型与调整方法

1. 信号类型：

● 脉冲编码器的输出信号通常为数字脉冲信号，以TTL（晶体管-晶体管逻辑）或CMOS（互补金属氧化物半导体）电平表示。这些信号的高电平和低电平分别对应于二进制数中的1和0。

● 也有一些特殊类型的编码器会输出模拟脉冲信号，其幅值会随着位置的变化而相应地改变。

2. 调整方法：

● 电源电压：确保编码器输入信号所需的电源电压在允许的范围内，以保证其正常运行和精确测量。

● 输入方式：根据编码器的类型和规格选择适当的输入方式，并确保连接正确无误。

● 滤波器：若编码器输入信号受到噪声干扰，可考虑加入滤波器来减小干扰。例如，TTL电平的编码器通常在0-5V的范围内工作，而RS422编码器则可能采用不同的电平标准。通过细致观察实际信号电平并与编码器的相关规格进行对比，可以对输入电平进行相应调整以确保其符合编码器的要求。

综上所述，脉冲编码器是一种高精度、高可靠性的位置检测元件，在工业自动化和机械设备等领域具有广泛的应用前景。

审核编辑 黄宇