编码器、旋转变压器应用特点和接口方法

摘要：本文简要介绍编码器、旋转变压器应用特点和接口方法，其中重点介绍产品通信协议和硬件接口电路以及专用的接收芯片AU5561应用方法。

编码器发展历史

早期的编码器主要是旋转变压器，旋转变压器IP值高，能在一些比较恶劣的环境条件下工作，虽然因为对电磁干扰敏感以及解码复杂等缺点而逐渐退出，但是时至今日，仍然有其特有的价值，比如作为混合动力汽车的速度反馈，几乎是不可代替的，此外在环境恶劣的钢铁行业、水利水电行业，旋转变压器因为其防护等级高同样获得了广泛的应用。随着半导体技术的发展，后来便有霍尔传感器和光电编码器，霍尔传感器精度不高但价格便宜，而且不能耐高温，只适合用在一些低端场合，光电编码器正是由于克服了前面两种编码器的缺点而产生，它精度高，抗干扰能力强，接口简单使用方便因而获得了最广泛的应用。

编码器的生产厂家很多，这里以多摩川的产品为例进行介绍。

下面以旋转变压器、增量式编码器、绝对式编码器为例逐一进行介绍。

旋转变压器

简称旋变是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。

按励磁方式分，多摩川旋转变压器分BRT和BRX两种，BRT是单相励磁两相输出；BRX是双相励磁单相输出。用户往往选择BRT型的旋变，因为它易于解码。

旋转变压器解码

图4旋转变压器电气示意图。

旋变的输入输出电压之间的具体函数关系如下所示：

设转子转动角度为θ，初级线圈电压（即励磁电压）:ER1-R2=E*Sin2πft

f:励磁频率，E：信号幅度

那么输出电压ES1-S3=K*E*Sin2πft*Cosθ; ES2-S4=K*E*Sin2πft*Sinθ

K：传输比， θ：转子偏离原点的角度

令θ=ωt，即转子做匀速运动，那么其输出信号的函数曲线可表示为图5所示，

图中信号频率为f，即励磁信号频率，最大幅度为E，包络信号为Sinωt和Cosωt，解码器就是通过检测这两组输出信号获取旋变位置信息的。

不难看出，励磁频率越高，旋变解码精度也就越高，而励磁电压幅度则对解码没有很明显的影响。只需达到一定的电压数值即可,一般来讲3V~1.2倍额定电压都可满足解码需求。

多摩川为自己的旋变开发了专门的解码芯片AU6802N1，并且艾而特公司有现成的解码板可供使用，解码板支持10KHZ励磁频率，0.5的传输比，可以同时提供增量式和绝对式信号输出，增量式输出

1024C/T，采用长线输出；绝对式输出12位/T，输出采用光电隔离，必要时可以根据客户需要调整。转换后的信号和编码器无异。

使用旋变解码板时一般要注意3个参数：传输比，励磁电压，励磁频率。传输比是指输出电压和输入电压的比值，励磁电压就是初级绕组的输入电压，就多摩川的旋转变压器来说，允许励磁电压可以从3V 到1.2倍额定电压。这3个参数需要完全匹配才能正常解码。

图5

增量式编码器

每转过一个单位，编码器就输出一个脉冲，故称之为增量式；

多摩川的增量式编码器输出信号有长线输出，开集输出，电压输出，推拉互补输出四种方式。机械结构上分的话有中空轴和带轴编码器，可以满足各种不同的应用场合。

多摩川编码器型号众多，目前主要用在电梯曳引机、门机、伺服马达、数控设备等行业。

绝对式编码器

以某一点为参考原点，数据线始终输出编码器轴的当前位置偏离原点的距离的数据信息，是称绝对式编码器。比如，一款10位BCD码输出的编码器分辨率为360C/T，那么每个单位对应1°，如果轴偏离原点一个单位，也就是处在1°的位置，那么输出0000000001，如果偏离50°，也就是在50°的位置，那么输出就是0001010000。绝对式编码器总是输出当前位置信息。由于这样的特点，绝对式编码器非常适合应用在跑轨迹的场合。

多摩川绝对式编码器型号齐全，从输出信号的编码方式来分类的话，有BCD码、GRAY码和纯2进制码（PB）输出；从输出方式来划分的话并行输出和串行输出；从分辨率来划分的话有从8位到36位不等。用户可以根据自己的需要进行选择。

此外绝对式编码器还有单回转和多回转之分，多回转计圈数而单回转不计圈数，多摩川绝对式编码器单回转最多可以作到20位，多回转16位。输出信号采用串行传送，经专用芯片转换后变为并行输出信号，可以直接送给DSP、MCU、FPGA等进行处理。

输出电路接口

对于分辨率不是很高的绝对式编码器来讲，一般适合采用并行输出，这样接口电路简单，而且通信速率高。采用并行输出的编码器输出回路主要有集电极开路（如图1所示）和射极跟随（如图2示）两种方式。集电极开路输出模式用户端需要加接上拉电阻，如图1中虚线所示；射极跟随模式下，则应加下拉电阻，

如图2中虚线所示。

输出数据线对应从1、2、22…2?的数据位，用户只需从数据总线直接读取编码器数据即可。

图4

图5所示是另一款转换芯片AU5688转换芯片的时针电路，R1为1MΩ，C1、C2为10PF，晶振频率8M。

该型编码器采用26LS31芯片作为输出级，因此在用户端的解码板上需要采用和26LS31对应的芯片，比如26LS32作为与转换芯片的中间接口电路。芯片共可输出16位数据线，低12位是单回转，高4位

是多回转。用户可以从用户数据总线上读取编码器数据。采用该电路，波特率为2.5MB/S。

图5

图6是TS5643N50等编码器和转换芯片之间的接口电路。用户可以通过自己的CPU等控制器下发请

求信号，编码器的输出数据通过26LS32送解码芯片转换后再经过AU5688转换为并行输出的数据，供

用户读取。

图6

图7是TS5643N353等编码器和转换芯片之间的接口电路。编码器信号的进出都经过AU5688芯片，输出数据都是16位，12位单回转，4位多回转。

图7

此外，在通讯协议上，多摩川提供了比较完备的接口协议和用户通讯，具体内容不在此一一介绍，有兴趣的读者朋友可以来电索取资料或咨询。

绝对式编码器应用特点

旋转增量式编码器转动时输出脉冲，通过CPU计数来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，否则计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有报错后才能知道。

比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到传动马达响声，这就是CPU在找参考零点，然后才工作。

这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。

绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道马达位置，什么时候就去读取它的位置，不需要象增量式编码器那样去计算。甚至编码器带有备用电池这样，断电后编码器也能记忆断电前的位置信息，大大的提高了使用绝对式编码器的安全性和可靠性。

由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。其中最主要的就是应用在高精度的数控机床和伺服系统里面。在西方比较发达的国家，运动控制比较侧重于轨迹控制，如果采用绝对式编码器无疑将为控制提供更方便的位置信息。

目前，多摩川已经推出最高达到36位的绝对式编码器，其中单回转20位，多回转16位。最大响应频率可以达到52MHZ。可以真正实现高速高精度实时控制。

此外，在有些大功率的伺服马达上，由于初始化时用普通增量式编码器测位置误差较大，所以适合用绝对值加增量式编码器找磁极位置角，这样可以大大的提高其输出力矩，目前多摩川也已经推出混合式编码器。其增量式输出A、B、Z三相，绝对植输出24位，11单回转，13位多回转，能极大的提高伺服马达初始化时的定位精度。同时对位置控制和速度计算也都极为方便。