电机转角的识别

Question

因为要做一个设计需要一个高速旋转的电机(转速1800rad/min以上)旋转同时可以输出旋转角度的信息,比如说电机转一圈是360度,我以某一位置定为0度逆时针方向为正方向,以5度为识别精度,即每转5度就能发出个信号告诉我现在电机转到什么位置,每圈都是如此(以5度为例一圈应输出72个不同的信号)循环下去(即每转一圈都依次输出这72个信号)直到电机停转,我想问的是现在市场上是否能买到有这功能的电机(即使没有现成的电机有此功能的系统也行)还有个要求是所用电机不能太大至多是5cm见方.

Answer 1

一、旋转编码器的原理和特点：

旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器。当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时，经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线，并被接收元件接收产生初始信号。该信号经后继电路处理后，输出脉冲或代码信号。其特点是体积小，重量轻，品种多，功能全，频响高，分辨能力高，力矩小，耗能低，性能稳定，可靠使用寿命长等特点。

1、增量式编码器

增量式编码器轴旋转时，有相应的相位输出。其旋转方向的判别和脉冲数量的增减，需借助后部的判向电路和计数器来实现。其计数起点可任意设定，并可实现多圈的无限累加和测量。还可以把每转发出一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位。当脉冲已固定，而需要提高分辨率时，可利用带90度相位差A，B的两路信号，对原脉冲数进行倍频。

2、绝对值编码器

绝对值编码器轴旋转器时，有与位置一一对应的代码（二进制，BCD码等）输出，从代码大小的变更即可判别正反方向和位移所处的位置，而无需判向电路。它有一个绝对零位代码，当停电或关机后再开机重新测量时，仍可准确地读出停电或关机位置地代码，并准确地找到零位代码。一般情况下绝对值编码器的测量范围为0～360度，但特殊型号也可实现多圈测量。

3、正弦波编码器

正弦波编码器也属于增量式编码器，主要的区别在于输出信号是正弦波模拟量信号，而不是数字量信号。它的出现主要是为了满足电气领域的需要－用作电动机的反馈检测元件。在与其它系统相比的基础上，人们需要提高动态特性时可以采用这种编码器。

为了保证良好的电机控制性能，编码器的反馈信号必须能够提供大量的脉冲，尤其是在转速很低的时候，采用传统的增量式编码器产生大量的脉冲，从许多方面来看都有问题，当电机高速旋转（6000rpm）时，传输和处理数字信号是困难的。在这种情况下，处理给伺服电机的信号所需带宽（例如编码器每转脉冲为10000）将很容易地超过MHz门限；而另一方面采用模拟信号大大减少了上述麻烦，并有能力模拟编码器的大量脉冲。这要感谢正弦和余弦信号的内插法，它为旋转角度提供了计算方法。这种方法可以获得基本正弦的高倍增加，例如可从每转1024个正弦波编码器中，获得每转超过1000，000个脉冲。接受此信号所需的带宽只要稍许大于100KHz即已足够。内插倍频需由二次系统完成。

二、输出信号

1、信号序列

一般编码器输出信号除A、B两相（A、B两通道的信号序列相位差为90度）外，每转一圈还输出一个零位脉冲Z。。

当主轴以顺时针方向旋转时，按下图输出脉冲，A通道信号位于B通道之前；当主轴逆时针旋转时，A通道信号则位于B通道之后。从而由此判断主轴是正转还是反转。

正弦输出编码器输出的差分信号如下图所示：

2、零位信号

编码器每旋转一周发一个脉冲，称之为零位脉冲或标识脉冲，零位脉冲用于决定零位置或标识位置。要准确测量零位脉冲，不论旋转方向，零位脉冲均被作为两个通道的高位组合输出。由于通道之间的相位差的存在，零位脉冲仅为脉冲长度的一半。

3、预警信号

有的编码器还有报警信号输出，可以对电源故障，发光二极管故障进行报警，以便用户及时更换编码器。

三、输出电路

1、NPN电压输出和NPN集电极开路输出线路

此线路仅有一个NPN型晶体管和一个上拉电阻组成，因此当晶体管处于静态时，输出电压是电源电压，它在电路上类似于TTL逻辑，因而可以与之兼容。在有输出时，晶体管饱和，输出转为0VDC的低电平，反之由零跳向正电压。

随着电缆长度、传递的脉冲频率、及负载的增加，这种线路形式所受的影响随之增加。因此要达到理想的使用效果，应该对这些影响加以考虑。集电极开路的线路取消了上拉电阻。这种方式晶体管的集电极与编码器电源的反馈线是互不相干的，因而可以获得与编码器电压不同 的电流输出信号。

2、PNP和PNP集电极开路线路

该线路与NPN线路是相同，主要的差别是晶体管，它是PNP型，其发射极强制接到正电压，如果有电阻的话，电阻是下拉型的，连接到输出与零伏之间。

3、推挽式线路

这种线路用于提高线路的性能，使之高于前述各种线路。事实上，NPN电压输出线路的主要局限性是因为它们使用了电阻，在晶体管关闭时表现出比晶体管高得多的阻抗，为克服些这缺点，在推挽式线路中额外接入了另一个晶体管，这样无论是正方向还是零方向变换，输出都是低阻抗。推挽式线路提高了频率与特性，有利于更长的线路数据传输，即使是高速率时也是如此。信号饱和的电平仍然保持较低，但与上述的逻辑相比，有时较高。任何情况下推挽式线路也都可应用于NPN或PNP线路的接收器。

4、长线驱动器线路

当运行环境需要随电气干扰或编码器与接收系统之间存在很长

的距离时，可采用长线驱动器线路。数据的发送和接收在两个互补

的通道中进行，所以干扰受到抑制（干扰是由电缆或相邻设备引起的）。这种干扰可看成“共模干扰”。此外，总线驱动器的发送和接收都是以差动方式进行的，或者说互补的发送通道上是电压的差。因此对共模干扰它不是第三者，这种传送方式在采用DC5V系统时可认为与RS422兼容；在特殊芯片时，电源可达DC24V，可以在恶劣的条件（电缆长，干扰强烈等）下使用。

5、差动线路

差动线路用在具有正弦长线驱动器的模拟编码器中，这时，要求信号的传送不受干扰。像长线驱动器线路那样，对于数字信号产生两个相位相差180度的信号。这种线路特意设置了120欧姆的特有线路阻抗，它与接收器的输入电阻相平衡，而接收器必须有相等的负载阻抗。通常，在互补信号之间并联连,120欧姆的终端电阻就达到了这种目的。

四、常用术语

■输出脉冲数/转

旋转编码器转一圈所输出的脉冲数发，对于光学式旋转编码器，通常与旋转编码器内部的光栅的槽数相同（也可在电路上使输出脉冲数增加到槽数的2倍4倍）。

■分辨率

分辨率表示旋转编码器的主轴旋转一周，读出位置数据的最大等分数。绝对值型不以脉冲形式输出，而以代码形式表示当前主轴位置（角度）。与增量型不同，相当于增量型的“输出脉冲/转” 。

■光栅

光学式旋转编码器，其光栅有金属和玻璃两种。如是金属制的，开有通光孔槽；如是玻璃制的，是在玻璃表面涂了一层遮光膜，在此上面没有透明线条（槽）。槽数少的场合，可在金属圆盘上用冲床加工或腐蚀法开槽。在耐冲击型编码器上使用了金属的光栅，它与金属制的光栅相比不耐冲击，因此在使用上请注意，不要将冲击直接施加于编码器上。

■最大响应频率

是在1秒内能响应的最大脉冲数

（例：最大响应频率为2KHz，即1秒内可响应2000个脉冲）

公式如下

最大响应转速（rpm）/60×（脉冲数/转）=输出频率Hz

■最大响应转速

是可响应的最高转速，在此转速下发生的脉冲可响应公式如下：

最大响应频率（Hz）/ （脉冲数/转）×60=轴的转速rpm

■输出波形

输出脉冲（信号）的波形。

■输出信号相位差

二相输出时，二个输出脉冲波形的相对的的时间差。

■输出电压

指输出脉冲的电压。输出电压会因输出电流的变化而有所变化。各系列的输出电压请参照输出电流特性图

■起动转矩

使处于静止状态的编码器轴旋转必要的力矩。一般情况下运转中的力矩要比起动力矩小。

■轴允许负荷

表示可加在轴上的最大负荷，有径向和轴向负荷两种。径向负荷对于轴来说，是垂直方向的，受力与偏心偏角等有关；轴向负荷对轴来说，是水平方向的，受力与推拉轴的力有关。这两个力的大小影响轴的机械寿命

■轴惯性力矩

该值表示旋转轴的惯量和对转速变化的阻力

■转速

该速度指示编码器的机械载荷限制。如果超出该限制，将对轴承使用寿命产生负面影响，另外信号也可能中断。

■格雷码

格雷码是高级数据，因为是单元距离和循环码，所以很安全。每步只有一位变化。数据处理时，格雷码须转化成二进制码。

■工作电流

指通道允许的负载电流。

■工作温度

参数表中提到的数据和公差，在此温度范围内是保证的。如果稍高或稍低，编码器不会损坏。当恢复工作温度又能达到技术规范

■工作电压

编码器的供电电压

参考资料：http://www.chuandong.com/cdbbs/2008-7/12/08712F193BF417.html

Answer 2

你需要在电动机的轴上装个编码器，编码器的脉冲信号可以但至少为360/5=72个/秒以上（如果以上，则还必须是整数倍）。然后通过检测编码器发出的脉冲信号，就可以得到你所需要的所有信息了。