什么是正交编码器？
正交编码器是一种用于检测机械系统运动的传感器。它们通常用于检测设备（如电机或电机驱动轴）的速度和角旋转（总转数）。它们也可用于检测线性运动。
本简报使用图1所示的大型机制探讨正交编码器的概念。这是使用DigiKey提供的工业控制和自动化组件构建的。从教育的角度来看，这个尺寸非常理想，因为各个组件可以很容易地被识别。更重要的是，该机制使我们能够看到旋转中断盘和双相位传感器的相对角度。缓慢的旋转和Banner Engineering DS18V6LP相位传感器在机制正面提供的视觉指示器进一步帮助了这一点。
图 1 ：正交编码器的图片，展示了Phase Dock 1007工作台底座、3D打印组件以及DigiKey提供的一系列工业组件。
正交编码器的设计文件是否可用？
以下是编码器和电机支架的设计文件。如果您复制或修改设计，请在下方空间内包含图片。此外，欢迎您提出问题和评论。
正交编码器文件.zip (1.6 MB)
“ 增量 ” 和 “ 绝对 ” 这两个术语是什么意思？
“增量”一词通常用于描述正交编码器。在这里，增量意味着小的变化，如“时间的小增量或位置的小变化”。虽然这是正确的，但当用于描述一个包含正交编码器及相关逻辑（如微控制器或可编程逻辑控制器（PLC））的系统时，这个术语更容易理解。系统的逻辑控制器监控正交编码器，然后根据正交编码器的输出增加或减少一个变量。因此，“增量”一词与控制器的关系比与传感器的关系更密切。另一种理解方式是认识到正交编码器本身没有绝对位置信息。相反，逻辑控制器必须处理和维护位置信息。这是一个具有挑战性的时间敏感操作。任何偏差都会导致位置信息丢失，从而导致机械系统失控。同样，断电也会破坏控制器对位置的判断。
技术提示 ：对于基于正交编码器的系统，位置丢失是极不希望的，因为需要在设备启动时或任何位置信息可疑时进行校准程序。在生产环境中，这会消耗宝贵的时间，而这些时间本可以用于制造产品。
与绝对编码器的关系
一种相关但对比鲜明的传感器是绝对编码器。对于绝对编码器，位置信息保存在编码器本身中。该系统不受电源丢失的影响，因为位置信息始终可供编码器的内部读取机制使用，就像电位器始终“知道”电阻一样。
虽然这似乎是一个优势，但绝对编码器并不常见，因为在给定的性能水平下，它们比正交编码器要昂贵得多。例如，考虑一台由电机通过滚珠丝杠驱动的大型床身的计算机数控（CNC）机床。一个简单且廉价的正交编码器可以连接到驱动电机上，以高分辨率跟踪运动。等效的绝对编码器将非常昂贵、庞大或不可用。
为了更好地理解这些关系，建议您研究每种类型编码器的数据表。作为一个起点，考虑这种专为机械臂位置传感设计的绝对传感器。
计算机控制位置跟踪的优势
为了更好地区分这两种传感器，我们认识到基于正交编码器的系统本质上主要是基于软件的，位置信息保存在使用int类型或long int类型的程序中。因此，带有正交编码器的计算机系统可以跟踪2^32甚至2^64个独特步骤的位置。相比之下，绝对解码器的操作本质上是模拟的。这里的“模拟”一词意味着需要一系列内部传感器来读取位置信息。对于实际应用，绝对编码器的最高分辨率约为16位。这是预期的，因为编码器尺寸必须随着代码尺寸的增加而增加，传感器必须缩小。
带有单一绝对位置的正交编码器
有一种混合例外情况适用于正交编码器的“绝对”一词。正如将要展示的，一些编码器配备了“索引”输出。这用于指示正交编码器处于已知位置。此信息随后可用作归位机制的一部分。我们使用“混合”一词，因为由此产生的传感器不是绝对传感器。相反，我们可以检测到一个通常被识别为绝对原点的单一位置。
术语 “ 正交 ” 在应用于正交编码器时的含义是什么？
正交是一个名词，描述了两个旋转物体之间的角度（数学）关系。具体来说，它指的是彼此之间具有90度关系的事物。一些例子包括：
- 由正弦和余弦函数描述的数学关系
- 当月亮相对于地球与太阳成直角时发生的正交（半月）
- 用于无线电通信系统的电信号，包括同相信号（“I”）和具有90度相移的正交信号（“Q”）
- 用于早期电力分配系统的电信号，包括特斯拉著名的感应电机。
技术提示 ：当今的电力发电和分配系统主要采用三相系统，其中电信号彼此偏移120电角度。情况并非总是如此，因为一些早期的多相系统采用了正交信号。一种基本的产生正交关系的方法是将两个单相发电机物理安装在同一轴上，使发电机彼此相对旋转以提供必要的90度相位关系。由此产生的“A”发电机产生同相信号，“B”发电机产生正交信号。
正交编码器中的正交信号是如何产生的？
术语“正交”描述了一种关系。要构建一个正交编码器，我们需要放置两个传感器，使它们与被测量的物体形成正交关系。图1中展示的机制和视频1中展示的图片显示了一个带有槽的旋转盘，这些槽将中断Banner Engineering DS18VP6LP反射式传感器的光束。这些传感器在物理上间隔开，使它们与中断盘形成正交关系。
仔细观察图2可以发现，中断盘、传感器和反射器是一个匹配的三件套。传感器和反射器的间距使得两个传感器都可以被中断盘遮挡或暴露。随着盘的旋转，传感器产生00、01、11和10的开-关模式。从技术上讲，这是一种格雷码，在任何给定时间只有一个传感器发生变化。如果我们反转旋转方向，我们会看到一个稍微不同的格雷码00、10、11和01。这些模式在视频1中展示，显示了电机的正向和反向操作。
图 2 ：近距离图像显示正交传感器、中断盘和反射器之间的关系。请注意，中断盘的尺寸设计为允许或阻挡两个传感器。
视频 1 ：正交编码器在正向和反向方向上的操作。
技术提示 ：反光传感器被构造为一个紧凑的单体元件，集成了发射器和接收器。所选的Banner Engineering传感器具有一个产生红色可见光束的发射器。该光束通过光学反射器返回到传感器。传感器的综合目的是检测打断光束的物体。反光传感器的能力远超过图1所建议的。通过适当的对准，光束可以在11.4英尺的距离内被检测到。还提供具有更大范围的设备。例如，同一系列中有范围达65.6英尺的设备。
正交编码器如何与微控制器或 PLC 集成？
正交编码器不是独立的设备，因为它不能直接指示旋转速度的方向。相反，正交编码器必须连接到微控制器、可编程逻辑控制器（PLC）或其他独立设备并由其监控。
对正交编码器集成的过于简化的看法表明这是一个两步过程。首先，我们将编码器连接到相关的微控制器或PLC。其次，我们编写几行代码来捕获相关的开关模式。实际上，事情要复杂得多，因为我们很快会遇到定时问题。这不是编码器的问题，而是编程技术和相关微控制器或PLC速度的问题，统称为逻辑。
为了更好地理解，让我们陈述正交系统集成的基本原则：
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位置、方向和速度指标在相关逻辑中维护。
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逻辑必须响应编码器生成的每个格雷码信号转换。即使丢失一个转换，也会导致机械系统失控。
有关设计正交编码器逻辑的更多信息，请参阅以下之前的DigiKey技术论坛文章：
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正交编码器系统集成：本文介绍了一种基于状态的机制，以提高编码器的可靠性。
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设计一个基于Arduino电机控制的稳健正交编码器ISR程序：本文介绍了正交编码器逻辑的Arduino应用，包括状态机。它还介绍了在主代码和中断服务例程（ISR）之间传输的原子数据的概念。
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高速中断、FreeRTOS和带有Arduino PORTENTA Pro C33的ARM NVIC：本文提供了有关通过将正交编码器ISR集成到ARM微控制器环境中设计稳健软件的进一步信息。
技术提示 ：假设一个正交编码器用于伺服机构。这样的系统可能被期望将机械负载保持在静止位置。一个例子是机器人手臂对抗重力握住一个重物。在这种情况下，我们可以合理地预期手臂会物理停止并制动，编码器处于过渡点，导致编码器的A和B相输出在两个代码之间切换，例如00和01。逻辑必须通过在两个位置之间反弹来适当响应，例如计数为134,555和134,556。一个典型的错误是在这种情况下构建/编程逻辑，导致错误的位置。
与正交编码器相关的索引输出是什么？
偶尔你会遇到带有“索引”输出的正交编码器。这个传感器输出提供了一个绝对指示，表明正交编码器处于已知位置。索引的组件在图1和图3中可以看到。在图1中，看到中断器表面的锁紧螺母。在图3中，我们可以看到感应接近传感器，它检测螺丝头的存在。
至于传感器选择，感应接近传感器和相关的金属螺丝被选择用于多样性。鉴于训练器的性质，展示各种工业控制传感器的操作是可取的。我们还应该提到，Pololu制造了各种金属齿轮电机，其中一些配备了直接物理连接到电机轴上的正交编码器。例如，请参考之前提到的Arduino文章。
什么是归零算法？
请注意，索引检测提供了一个狭窄的目标。需要仔细编程控制系统，首先找到然后定位机制，使其停留在索引提供的归零位置。
你可能在3D打印机中看到过这种归零操作。作为初始校准程序的一部分，打印机将驱动每个轴到归零位置。这通常有四个步骤：
- 缓慢地将机制向归零位置移动。
- 当检测到归零时停止。
- 反向直到不再处于归零位置。
- 在慢速-慢速模式下，前进直到找到原点位置。
- 停止，系统已回原点。
也许在未来的文章中，我们可以演示回原点算法。这将需要一个变速电机控制器，以慢速和慢速-慢速操作电机。请注意，过快的速度会使系统超出索引位置，使其很难到达原点位置。伺服电机速度的典型硬件解决方案是生成脉宽调制（PWM）信号的控制器。然后将其发送到专用的电机驱动器。本文中可以找到一个示例。
图 3 欧姆龙Z4122感应式接近索引传感器位于Pololu #4685齿轮电机的上方和右侧45度位置。反光传感器的反射器位于电机下方，与传感器成90度角。
结论
本文简要介绍了一种适用于教育环境的正交编码器。较大的物理尺寸是一个重要的考虑因素，因为它允许各种元素之间的相位关系。这有助于更好地理解设备以及所有正交编码器共有的基本原理。
如果有兴趣，可以扩展材料。此外，在未来的某个时候，我们将探索回原点功能。