編碼器使用和速度測(cè)量原理教程

1.編碼器概述

編碼器是將角位移或角速度轉(zhuǎn)換為一系列數(shù)字電脈沖的旋轉(zhuǎn)傳感器。我們可以通過編碼器測(cè)量地面位移或速度信息。根據(jù)輸出數(shù)據(jù)類型，編碼器可分為增量編碼器和絕對(duì)編碼器。根據(jù)編碼器檢測(cè)原理，它也可以分為光學(xué)、磁、電感和電容。最常見的是光電編碼器（光學(xué)）和霍爾編碼器（磁性）。

2.編碼器原理

光電編碼器是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器由光電編碼器盤和光電探測(cè)器組成。所述光碼盤被分割成一定直徑的圓盤上的多個(gè)矩形孔。由于光電編碼器與電機(jī)同軸，檢測(cè)裝置在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)檢測(cè)并輸出多個(gè)脈沖信號(hào)。為了判斷轉(zhuǎn)向，通常輸出兩組具有一定相位差的方波信號(hào)。

霍爾編碼器是一種傳感器，通過磁電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移轉(zhuǎn)換為脈沖或數(shù)字量。霍爾編碼器由霍爾編碼盤和霍爾元件組成。霍爾碼盤在一定直徑的圓板上均勻地分成不同的磁極?；魻柧幋a盤與電機(jī)同軸。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件檢測(cè)并輸出多個(gè)脈沖信號(hào)。通常，為了判斷轉(zhuǎn)向，輸出兩組具有一定相位差的方波信號(hào)。

可以看出，這兩種原理的編碼器的目的是獲得AB相位輸出的方波信號(hào)，使用方法是相同的。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的方案。


3.編碼器接線說明

具體到我們的編碼器電機(jī)，我們可以看看實(shí)際的編碼器。


這是一個(gè)增量輸出霍爾編碼器，編碼器有AB相位輸出。因此，你不僅可以測(cè)量速度，還可以識(shí)別方向盤。按照上圖中的接線說明，我們只需要為編碼器電源提供5V電壓。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，方波信號(hào)可以通過AB相位輸出。編碼器有自己的上拉電阻器，因此可以直接連接到微控制器IO進(jìn)行讀取，而無需外部上拉。

4.編碼器的軟件四倍頻技術(shù)

讓我們來談?wù)劸幋a器的倍頻原理。在下面，為了提高每個(gè)人的學(xué)習(xí)興趣，讓我們首先明確這是一項(xiàng)實(shí)用的技術(shù)。它可以將編碼器的精度提高4倍。這種效果更像是靜止相機(jī)上的光學(xué)變焦，而不是數(shù)碼變焦，數(shù)碼變焦以犧牲清晰度為代價(jià)放大圖像。下面是編碼器輸出波形圖。


這里我們使用軟件方法來實(shí)現(xiàn)四倍的頻率。首先，我們可以在上圖中看到編碼器輸出的AB相位波形。在正常情況下，當(dāng)我們使用M方法測(cè)量速度時(shí)，我們將測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)從A相輸出的脈沖數(shù)。獲取速度信息。在傳統(tǒng)方法中，我們只測(cè)量A相（或B相）的上升沿或下降沿，這是上圖中相應(yīng)數(shù)字1234之一，因此只能計(jì)數(shù)三次。四倍頻法包括測(cè)量A相和B相編碼器的上升沿或下降沿。這樣，它可以同時(shí)計(jì)數(shù)12次（1234的3個(gè)周期）。這就是軟件翻兩番的原理。

5.MCU如何收集編碼器數(shù)據(jù)

由于編碼器的輸出是標(biāo)準(zhǔn)方波，我們可以使用微控制器直接讀取它。軟件中有兩種處理方法：具有自身編碼器接口的微控制器，如STM32，可以直接使用硬件技術(shù)。沒有編碼器接口的MCU，如B.51 MCU，可以通過外部中斷讀取。例如，編碼器相位A輸出連接到MCU的外部中斷輸入端口，因此可以通過轉(zhuǎn)換邊緣觸發(fā)中斷。然后在函數(shù)中相應(yīng)的外部中斷服務(wù)，正反轉(zhuǎn)由B相的電平?jīng)Q定。例如，如果當(dāng)B相位較高時(shí)，A相位有一個(gè)過渡邊，則將其視為正向旋轉(zhuǎn)，低電平視為反向旋轉(zhuǎn)。

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