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旋转编码器的工作原理及应用

对于工业控制中的定位问题,一般采用接近开关、光电开关等装置。随着工控的不断发展,出现了旋转编码器,其特点是:

1、信息化:除了定位,控制室还可知道其具体位置;

2、柔性化:定位可以在控制室柔性调整;

3、安装方便和安全、使用寿命长。

一个旋转编码器,可以测量从几个微米到几十几百米的距离。多个工位,只要选用一个旋转编码器,就可以避免使用多各接近开关、光电开关,解决现场机械安装麻烦,容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。

由于是光电码盘,无机械损耗,只要安装位置准确,其使用寿命往往很长。

4、多功能化:除了定位,还可以远传当前位置,换算运动速度,对于变频器,步进电机等的应用尤为重要。

5、经济化:对于多个控制工位,只需一个旋转编码器,安装、维护、损耗成本降低,使用寿命增长。

鉴于以上优点,旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。

编码器(encoder)是将物理信号编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号的一种设备。应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。

编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘,后者称码尺。

旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数(几十个到几千个都有),和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲,而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲,通过这两组脉冲不仅可以测量转速,还可以判断旋转的方向。

增量型编码器 (旋转型) 工作原理:

由一个中心有轴的光电码盘,其上有环形通、暗的刻线,有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差(相对于一个周波为360度),将C、D信号反向,叠加在A、B两相上,可增强稳定信号;另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

由于A、B两相相差90度,可通过比较A相在前还是B相在前,以判别编码器的正转与反转,通过零位脉冲,可获得编码器的零位参考位。

编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料,玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线,其热稳定性好,精度高,金属码盘直接以通和不通刻线,不易碎,但由于金属有一定的厚度,精度就有限制,其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级,塑料码盘是经济型的,其成本低,但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率,也称解析分度、或直接称多少线,一般在每转分度5~10000线。

信号输出:

信号输出有正弦波(电流或电压),方波(TTL、HTL),集电极开路(PNP、NPN),推拉式多种形式,其中TTL为长线差分驱动(对称A,A-;B,B-;Z,Z-),HTL也称推拉式、推挽式输出,编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。

信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机,PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分,开关频率有低有高。

如单相联接,用于单方向计数,单方向测速。

A.B两相联接,用于正反向计数、判断正反向和测速。

A、B、Z三相联接,用于带参考位修正的位置测量。

A、A-,B、B-,Z、Z-连接,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为0,衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离。

对于TTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达150米。

对于HTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达300米。

1、按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种.

接触式采用电刷输出,一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”;非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件,采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。

2、按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。

    增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号,再把这个电信号转变成计数脉冲,用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码,因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关,而与测量的中间过程无关。

    旋转增量式编码器以转动时输出脉冲,通过计数设备来知道其位置,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,不然,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,只有错误的生产结果出现后才能知道。

    解决的方法是增加参考点,编码器每经过参考点,将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前,是不能保证位置的准确性的。为此,在工控中就有每次操作先找参考点,开机找零等方法。

    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,我们都能听到噼哩啪啦的一阵响,它在找参考零点,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。

    绝对型旋转光电编码器,因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆,已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。

    绝对编码器光码盘上有许多道刻线,每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。。。。。。编排,这样,在编码器的每一个位置,通过读取每道刻线的通、暗,获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码),这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的,它不受停电、干扰的影响。

    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,什么时候需要知道位置,什么时候就去读取它的位置。这样,编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

    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。绝对型编码器因其高精度,输出位数较多,如仍用并行输出,其每一位输出信号必须确保连接很好,对于较复杂工况还要隔离,连接电缆芯数多,由此带来诸多不便和降低可靠性,因此,绝对编码器在多位数输出型,一般均选用串行输出或总线型输出,德国生产的绝对型编码器串行输出最常用的是SSI(同步串行输出)。

3、单圈绝对式编码器和多圈绝对式编码器

    旋转单圈绝对式编码器,以转动中测量光码盘各道刻线,以获取唯一的编码,当转动超过360度时,编码又回到原点,这样就不符合绝对编码唯一的原则,这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量,称为单圈绝对式编码器。

    如果要测量旋转超过360度范围,就要用到多圈绝对式编码器。

    编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理,当中心码盘旋转时,通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮,多组码盘),在单圈编码的基础上再增加圈数的编码,以扩大编码器的测量范围,这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器,它同样是由机械位置确定编码,每个位置编码唯一不重复,而无需记忆。

    多圈编码器另一个优点是由于测量范围大,实际使用往往富裕较多,这样在安装时不必要费劲找零点,将某一中间位置作为起始点就可以了,而大大简化了安装调试难度。

    多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显,已经越来越多地应用于工控定位中。

4、绝对型旋转编码器的机械安装使用:

    绝对型旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装置安装等多种形式。

1)高速端安装:安装于动力马达转轴端(或齿轮连接),此方法优点是分辨率高,由于多圈编码器有4096圈,马达转动圈数在此量程范围内,可充分用足量程而提高分辨率,缺点是运动物体通过减速齿轮后,来回程有齿轮间隙误差,一般用于单向高精度控制定位,例如轧钢的辊缝控制。另外编码器直接安装于高速端,马达抖动须较小,不然易损坏编码器。

2)低速端安装:安装于减速齿轮后,如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端,此方法已无齿轮来回程间隙,测量较直接,精度较高,此方法一般测量长距离定位,例如各种提升设备,送料小车定位等。

3)辅助机械安装:

常用的有齿轮齿条、链条皮带、摩擦转轮、收绳机械等。

5、光学编码器功能特点

采用反射式感应技术

表面贴装无引脚封装

提供两通道模拟信号输出

计数频率:20 KHz

采单一5.0V电源运作

工作温度:-10到70oC

编码分辨率:180 LPI

符合RoHS环保标准要求

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