基于NI-ELVIS的增量式光电编码器.docx

一、 模块名称1. 背景简介角位移发生在许多动态系统中，如旋转机械和机械臂。角位移的准确测量对于评估机械的正常运行和健康状况具有重要意义，也是系统中不可少的控制反馈。测量角位移常见的传感器有电位器和旋转编码器。还可以通过测量角度对时间求导来确定角速度或线速度。2. 实验目的（1） 了解角位移编码器的工作原理。（2） 学会使用角位移编码器来测量旋转角度以及角速度。3. 原理简介（1） 增量式光学编码器增量式光学编码器是一种相对角位移传感器（如图1所示），它会输出一系列与角位置相对变化相关的脉冲，通常用于测量轴的角位移，从增量式光学编码器中提取的信息也可用于推导瞬时转速。图1 美国数字增量式旋转式光轴编码器增量式光学编码器通常由一个编码盘、一个红外LED和两个光电传感器组成。编码盘是一个遮挡与透光的盘组成，作为一个快门。当编码盘绕其轴旋转时，红外LED发出的光被编码盘遮光部分中断，输出为低电平，此时灯亮（如图3-1所示）；光透过编码盘时，输出为高电平，此时灯不亮（如图3-2所示）（如图2所示）。图2 增量编码器的输出，顺时针旋转时显示A和B信号位于编码盘后面的两个照片传感器(A和B)感知由红外LED可产生四种不同状态的A和B信号/脉冲:1) A关，B开。2) A关，B关。3) A开，B关。4) A开，B开。图3-1 B处编码盘未遮光，灯不亮图3-2 B处编码盘遮光，灯亮（2） 编译码原理如图4所示，A和B有一定的相位差。由此可有四种解码方法得到角度信息。图4 AB传感器波形图角度解码公式，其中Counts为计数值，规定顺时针为正，逆时针为负；N=0,1,2,4，分别对应Non-quadrature，X1,X2,X4模式，N=0时公式不在适用；PPR为编码盘遮挡片个数。=CountsN*PPR*360。1） Non-quadrature模式只计算A信号的上升沿作为旋转计数，不使用其他信号参考。此模式下不能识别左转还是右转，只要检测到A信号的上升沿计数值就会累加1。2） X1模式只计算A的信号上升沿作为旋转计数，此时B为低电平时，计数递增；B为高电平时，计数递减。3） X2模式以A信号的上升沿和下降沿作为旋转计数，此时B为低电平时，计数递增；B为高电平时，计数递减。4） X4模式计数方式如图5所示：图5 X4解码算法。当（A,B）从（0,0）到（1,0）时，计数加一；从（0，0）到（0,1）时，计数减一，其他类似。5） Index Z旋转圈数指针，如图6所示，由一块固定在编码盘上的永久磁铁与磁传感器组成。当靠近传感器时指示灯灭，输出电平变为1，远离传感器时指示灯亮，输出电平变为0。图6-1 磁铁靠近传感器图6-2 磁铁远离传感器Index Z用于旋转圈数计数，实现每360度复位为零度功能。 4. 实验步骤(1) 打开QNET Mechatronic Sensors.lvproj。 (2) 从项目资源管理器窗口，打开QNET Sensors Encoder.vi。(3) 从“设备”下拉菜单中选择“设备名称”，并点击运行。(4) 数编码盘的个数并在PPR框格中输入。(5) 从Decoding Algorithm下拉菜单中，选择Non-quadrature（no index）（如图7所示）。(6) 分别逆时针与顺时针与顺逆时针来回转动，观察现象并记录。(7) 选择X2模式，重复步骤（6）。(8) 选择X4模式，重复步骤（6）。(9) 在X4模式下，按下Enable Index，逆时针旋转两圈，观察并记录现象。(10) 按下Resert可实现复位操作。5. 实验数据及分析（1） Non-quadrature模式下图7-1 Non-quadrature模式下顺时针转动两周图7-2 Non-quadrature模式下逆时针转动两周图7-3 Non-quadrature模式下顺时针，逆时针分别转动一周如图7-1，7-2，7-3所示，无论是顺时针，逆时针还是来回转动累计两周，Counts都是18，Angle都是720，此类模式计数无方向性，只适合测量单向的旋转角度，分辨率为40。（2） X2模式下图8-1 X2模式下顺时针转动两周图8-2 X2模式下逆时针转动两周图8-3 X2模式下顺时针，逆时针分别转动一周由图8-1，8-2，8-3可以看出，在X2模式下，顺时针转2周Counts为-36，Angle为-720；逆时针转两周Counts为36，Angle为720；顺时针转动一周逆时针转动一周Counts为0，Angle为0。由此可以看出此模式可以辨别旋转方向，分辨率为20。（3） X4模式下图9-1 X4模式下顺时针转动两周图9-2 X4模式下逆时针转动两周图9-3 X4模式下顺时针，逆时针分别转动一周由图9-1，9-2，9-3可以看出，在X4模式下，顺时针转2周Counts为-72，Angle为-720；逆时针转两周Counts为72，Angle为720；顺时针转动一周逆时针转动一周Counts为0，Angle为0。由此可以看出此模式可以辨别旋转方向，分辨率为10。（4） Enable Index图10 X4、Enable Index模式下，逆时针转动两周（5） A,B PolarityA， B极性按钮需在Enable Index条件下工作，使读数复位。按下A或B按钮，当Z出现上升沿时，A或B出现高电平时复位；否则低电平复位。6. 程序框图如图11-1，程序的核心子模块便是Encoder Decodin