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什么是編碼器?
編碼器是將旋轉(zhuǎn)位置的改變轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)。
編碼器是伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制不可缺少的部件,編碼器應(yīng)用在軸的閉環(huán)控制和大多數(shù)的自動(dòng)化控制中。編碼器為閉環(huán)控制提供位置或速度的實(shí)際測(cè)量值。
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一、編碼器的分類
從編碼器的原理和產(chǎn)生的信號(hào)類型,可以將編碼器分為模擬量編碼器和數(shù)字量編碼器;
模擬量編碼器又細(xì)分為旋轉(zhuǎn)變壓器、正余弦編碼器、磁電式增量編碼器,現(xiàn)在的編碼器集成度比較高,哪怕是模擬量編碼器,它的內(nèi)部也集成了AD轉(zhuǎn)換裝置,可以進(jìn)行數(shù)字量輸出,所以最終給到伺服控制器的還是數(shù)字量信號(hào),這樣伺服控制器內(nèi)部就不需要再對(duì)模擬量進(jìn)行處理。
數(shù)字編碼器又細(xì)分為增量編碼器和絕對(duì)值編碼器,常見(jiàn)的增量編碼器是光電式增量編碼器,有AB兩相脈沖信號(hào),同時(shí)還有一個(gè)Z相信號(hào),Z相信號(hào)是旋轉(zhuǎn)一圈就發(fā)出一個(gè)脈沖。絕對(duì)值編碼器直接輸出位置數(shù)據(jù),位置編碼有二進(jìn)制碼和格雷碼或者BCD碼。
增量型編碼器,在斷電之后需要重新找原點(diǎn),才能進(jìn)行位置控制。
絕對(duì)型編碼器,在斷電之后不需要重新找原點(diǎn),可以繼續(xù)進(jìn)行位置控制。
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二、光電增量式編碼器
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光電增量式編碼器原理
光電增量式編碼器是一種比較常見(jiàn)的增量編碼器,它主要由碼盤、發(fā)光管、光電接收管、整型電路組成。碼盤上鍍有擋光材料,同時(shí)沿碼盤一周均勻刻畫出N條通光窗口,也就是碼道。碼盤旋轉(zhuǎn)一圈,將會(huì)產(chǎn)生N次通光和遮光。光電接收管接收到光信號(hào)后產(chǎn)生電壓信號(hào),電壓再經(jīng)過(guò)放大整型電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)。因?yàn)榇a盤是跟隨電機(jī)的軸同步轉(zhuǎn)動(dòng),所以對(duì)買中計(jì)數(shù)就可以算出增量位置信息和單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。
光電編碼器的碼盤材料有多種,比如玻璃、金屬、塑料。
玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線,其熱穩(wěn)定性和精度都可以達(dá)到很高,但是容易碎;
金屬碼盤是在金屬上刻出通道,不易碎,但是開(kāi)的通孔有一定寬度要求,精度就有所限制,而且金屬的熱穩(wěn)定性比較差,比玻璃差一個(gè)數(shù)量級(jí);
塑料碼盤是最經(jīng)濟(jì)的,成本低,但是精度,熱穩(wěn)定性,壽命等都要差一些。
光電增量式編碼器通常有三個(gè)通道,通道A、通道B、通道Z;
順時(shí)針旋轉(zhuǎn)
順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),如上面動(dòng)畫所示,無(wú)需多言;
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逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)
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?逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),如上面動(dòng)畫所示,無(wú)需多言。
增量式編碼器是少不了Z相的,不然就不知道零位在哪里,帶增量式編碼器的伺服電機(jī)在運(yùn)行前都需要找一下零位,就是依靠編碼器上的Z相信號(hào),Z相可以理解為零位。知道了零位,知道了旋轉(zhuǎn)方向,結(jié)合脈沖的個(gè)數(shù),就知道旋轉(zhuǎn)角度了。
A、B、Z順時(shí)針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的波形
A、B、Z逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的波形?
增量式編碼器倍頻
增量式編碼器有一個(gè)倍頻計(jì)數(shù),所謂倍頻就是頻率加倍的意思。
如果只利用A相信號(hào)的上升沿或者下降沿,則編碼器旋轉(zhuǎn)一圈的計(jì)數(shù)值就等于碼盤的柵格數(shù),X1波形所示,只利用B相的上升沿或者下降沿也是一樣的;
如果利用A相信號(hào)的上升沿和下降沿,那信號(hào)頻率就加倍了,實(shí)現(xiàn)2倍頻,X2波形所示;
如果同時(shí)利用A相信號(hào)的上升沿下降沿和B相信號(hào)的上升沿下降沿,就可以實(shí)現(xiàn)4倍頻,X4波形所示;
常見(jiàn)的2500線的編碼器,也就是碼盤上有2500個(gè)碼道,通過(guò)4倍頻,就可以得到2500*4 = 10000的分辨率。
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三、光電絕對(duì)式編碼器
絕對(duì)值編碼器的編碼是由機(jī)械位置決定的,每個(gè)位置式唯一的,它無(wú)需記憶位置,也不需要像Z相信號(hào)那樣的參考點(diǎn),使用的時(shí)候不需要一直計(jì)數(shù),什么時(shí)候需要知道位置了就去讀一下,因此絕對(duì)式編碼器的抗干擾能力,數(shù)據(jù)的可靠性比增量式編碼器就要高一些。
絕對(duì)式編碼器又分為單圈絕對(duì)值編碼器和多圈絕對(duì)值編碼器。
單圈絕對(duì)值編碼器:只能用于360度的旋轉(zhuǎn)范圍測(cè)量,超過(guò)360度就回到原點(diǎn)。
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單圈絕對(duì)式編碼器原理
單圈絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器結(jié)構(gòu)是類似的,不同的地方是碼盤和光電探測(cè)器。絕對(duì)式編碼器的碼盤上有N圈光通道刻線,每圈刻線依次以2線、4線、8線、16線這樣的規(guī)律編排,通過(guò)讀取每圈刻線的亮與暗,就可以獲得2的N次方個(gè)唯一的編碼,當(dāng)旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度時(shí),編碼器又回到原點(diǎn)。
如下圖所示的是有5排狹縫的碼盤角度解析情況
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多圈絕對(duì)式編碼器原理
多圈絕對(duì)值編碼器,是在在單圈的基礎(chǔ)上,再增加圈數(shù)的編碼,以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍。 可以用不同的技術(shù)方案來(lái)檢測(cè)圈數(shù)。常見(jiàn)的有機(jī)械絕對(duì)計(jì)圈和電子增量計(jì)圈兩種。
機(jī)械絕對(duì)計(jì)圈:利用鐘表齒輪的原理,當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)齒輪傳動(dòng)另一組碼盤轉(zhuǎn)動(dòng),在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼,圈數(shù)是有范圍限制的,當(dāng)前常見(jiàn)的有4096圈和65536圈這兩種。
電子增量計(jì)圈:通過(guò)電池給存儲(chǔ)器供電,來(lái)達(dá)到多圈計(jì)數(shù)的目的,實(shí)際上就是單圈絕對(duì),多圈增量,好處是省掉了一組機(jī)械齒輪,體積可以做的比較小。但這不是真正的絕對(duì)編碼區(qū)。
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四、磁電式編碼器
磁性編碼器通常也被稱為磁電式編碼器,是一種角度或者位移測(cè)量裝置。其原理是采用磁阻或者霍爾元件對(duì)變化的磁性材料的角度或者位移進(jìn)行測(cè)量。磁性材料角度或者位移的變化會(huì)引起一定電阻或者電壓的變化,通過(guò)放大電路對(duì)變化量進(jìn)行放大,通過(guò)處理器處理后輸出脈沖信號(hào)或者模擬量信號(hào),以達(dá)到測(cè)試的目的。
磁性碼盤的磁極數(shù),磁阻傳感器的數(shù)量以及信號(hào)處理的方式?jīng)Q定了磁性編碼器的分辨率。采用磁場(chǎng)原理產(chǎn)生信號(hào)的優(yōu)勢(shì)是信號(hào)不會(huì)收到灰塵,振動(dòng)、溫度的影響。
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五、旋轉(zhuǎn)變壓器(旋轉(zhuǎn)編碼器)
旋轉(zhuǎn)變壓器的原理
旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓的工作原理基本相似,區(qū)別在于普通變壓器的繞組是固定的,輸出電壓與輸入電壓比是一個(gè)常數(shù)。而旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊與副邊繞組是隨著轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置的變化,因此其輸出電壓的大小也是隨著轉(zhuǎn)子的角位移變化,輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦函數(shù)關(guān)系或者比例關(guān)系。
旋轉(zhuǎn)變壓器的優(yōu)缺點(diǎn):
相較于光電編碼器,旋轉(zhuǎn)變壓器更適合于各種惡劣的環(huán)境,如油污,振動(dòng)等環(huán)境。這些場(chǎng)合光電編碼器的碼盤容易被污染,使編碼器的輸出錯(cuò)誤。
旋轉(zhuǎn)編碼器是模擬量傳輸,容易受噪音干擾,分辨率不高。
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六、編碼器的基本參數(shù)
編碼器的分辨率
分辨率是指編碼器能夠分辨的最小單位。
對(duì)于增量式編碼器,其分辨率為旋轉(zhuǎn)一圈,編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù),即Pulse Per Revolution,縮寫PPR;
也可以用碼盤上透光線槽的數(shù)目來(lái)表示分辨率,叫做多少線,常用的有5000線,6000線。
對(duì)于絕對(duì)式編碼器,內(nèi)部碼盤所用的位數(shù)就是分辨率,單位是bit。這個(gè)位數(shù)就是碼盤上有多少圈透光孔。1度==60角分==3600角秒。
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編碼器的精度
編碼器的精度是指編碼器每個(gè)讀數(shù)與轉(zhuǎn)軸實(shí)際位置間的最大誤差,通常用角度、角分、角秒來(lái)表示,例如有些絕對(duì)式編碼器參數(shù)表里會(huì)寫±20″,這就表示編碼器輸出的讀數(shù)與轉(zhuǎn)軸實(shí)際位置之間存在±20角秒的誤差。
編碼器的精度由碼盤刻線加工精度、轉(zhuǎn)軸同心度、材料的溫度特性、電路的響應(yīng)等因素決定。
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最大響應(yīng)頻率
最大響應(yīng)頻率是指編碼器每秒輸出的脈沖數(shù),單位是Hz;計(jì)算公式為
????????????????最大響應(yīng)頻率 = 分辨率*軸轉(zhuǎn)速/60
比如電機(jī)的編碼器分辨率為100,轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)每分鐘,則相應(yīng)頻率為100*120/60 = 200Hz,在該轉(zhuǎn)速下,編碼器每秒輸出200個(gè)脈沖。
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信號(hào)輸出形式
對(duì)于增量式編碼器,每個(gè)通道的信號(hào)獨(dú)立輸出,輸出電路形式有集電極開(kāi)路輸出、推挽輸出、差分輸出;
對(duì)于絕對(duì)式編碼器,是直接輸出幾十位的二進(jìn)制數(shù),為了確保傳輸速率和信號(hào)質(zhì)量,一般采用串行輸出或者總線輸出,如SSI、RS485、CANOPEN、Ethercat等。也有并行輸出的,輸出電路的形式與增量式編碼器相同。
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