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?yàn)閷?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)槠浞雷o(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(lái)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。
多摩川
日本多摩川是編碼器的專業(yè)生產(chǎn)廠家，主要生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)變壓器以及增量式、絕對(duì)式編碼器。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在
航天軍工、汽車制造、礦山設(shè)備、冶金、水利水電、船舶等各行各業(yè)。其在中國(guó)地區(qū)的總代理艾而特工業(yè)設(shè)備有限公司承擔(dān)其產(chǎn)品在中國(guó)大陸的銷售、服務(wù)、技術(shù)咨詢等責(zé)任。
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)樗子诮獯a。
使用旋變時(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)繞組的輸入電壓，就多摩川的旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)說，允許勵(lì)磁電壓可以從3V-1.2倍額定電壓。
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(wú)異。
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00 0000 0001，如果偏離50°，也就是在50°的位置， 那么輸出就是00 0101 0000。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(lái)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(lái)劃分的話并行輸出和串行輸出；從分辨率來(lái)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)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(lái)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，用戶只需從數(shù)據(jù)
總線直接讀取編碼器數(shù)據(jù)即可。
并行輸出因?yàn)檎加玫臄?shù)據(jù)線太多只被低分辨率的編碼器采用，而高精度的編碼器多不采用并行輸出，而一般采用串行輸出，以節(jié)省輸出線。多摩川提供專用串并行轉(zhuǎn)換芯片，用戶可依照通信協(xié)議對(duì)其進(jìn)行編程，將串行輸出的編碼器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行輸出，用戶從轉(zhuǎn)換芯片的輸出端讀取編碼器位置數(shù)據(jù)。
多摩川公司的轉(zhuǎn)換芯片有AU5561和AU5688兩款，可以支持所有多摩川生產(chǎn)的串行輸出的絕對(duì)式編碼器的解碼。
圖3所示是編碼器和AU5561轉(zhuǎn)換芯片之間的接口電路，串行輸出的絕對(duì)式編碼器內(nèi)部多采用ADM485或類似芯片作為輸出，因此在用戶端的解碼板上需要采用和ADM485兼容的芯片，作為與轉(zhuǎn)換芯片的中間接口電路。圖4是整個(gè)的系統(tǒng)接口電路圖，從圖中可以看出，芯片共可輸出40位，用戶可以根據(jù)自己的CPU選擇通訊模式， 16位、32位單片機(jī)或DSP模式。用戶可以從用戶數(shù)據(jù)總線上讀取編碼器數(shù)據(jù)。該芯片可以作為TS5647、TS5648、TS5667、TS5668、TS5669等型號(hào)的絕對(duì)式編碼器轉(zhuǎn)換用。采用該電路，波特率為2.5MB/S。比較適合在高速實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合使用。
圖3
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1MΩ，C1、C2為10pF，晶振頻率8MHz。
圖5
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2.5Mbps。
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(lái)電索取資料或咨詢。
絕對(duì)式編碼器的應(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(lái)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(lái)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(lái)電工作時(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(wú)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(wú)需記憶，無(wú)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， 不需要像
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(lái)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(guó)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(wú)疑將為控制提供更方便的位置信息。
結(jié)語(yǔ)
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，在有些大功率的伺服馬達(dá)上，由于初始化時(shí)用普通
增量式編碼器測(cè)位置誤差較大，所以適合用絕對(duì)值加增量式編碼器找磁極位置角，這樣可以大大的提高其輸出力矩，目前多摩川也已經(jīng)推出混合式編碼器。其增量式輸出A、B、Z三相，絕對(duì)植輸出24位，11單回轉(zhuǎn)，13位多回轉(zhuǎn)，能極大的提高伺服馬達(dá)初始化時(shí)的定位精度。同時(shí)對(duì)位置控制和速度計(jì)算也都極為方便。(e
