淺談編碼器分類及其原理
生活中經(jīng)常使用的電梯是如何精確的把人們送到指定樓層的?機床又是如何做到精確切割物料的?伺服電機又是如何保證旋轉(zhuǎn)位置精度的?這一切都要歸功于一種神器——編碼器,可是編碼器又是什么?他又是如何精確的測量電機位置的呢?今天就來聊一聊編碼器。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201606/292991.htm一、什么是編碼器
編碼器是將信號或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號,前者稱為碼盤,后者稱為碼尺。他是工業(yè)中常用的電機定位設(shè)備,可以精確的測試電機的角位移和旋轉(zhuǎn)位置。
圖 1 編碼器
二、編碼器分類
按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號,再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖,用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼,因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān),而與測量的中間過程無關(guān)。
?增量式
增量式編碼器通常有3個輸出口,分別為A相、B相、Z相輸出,A相與B相之間相互延遲1/4周期的脈沖輸出,根據(jù)延遲關(guān)系可以區(qū)別正反轉(zhuǎn),而且通過取A相、B相的上升和下降沿可以進行2或4倍頻;Z相為單圈脈沖,即每圈發(fā)出一個脈沖。
增量測量法的光柵由周期性柵條組成。位置信息通過計算自某點開始的增量數(shù)(測量步距數(shù))獲得。由于必須用絕對參考點確定位置值,因此圓光柵碼盤還有一個參考點軌。
?絕對式
絕對式編碼器就是對應(yīng)一圈,每個基準的角度發(fā)出一個唯一與該角度對應(yīng)二進制的數(shù)值,通過外部記圈器件可以進行多個位置的記錄和測量。
編碼器通電時就可立即得到位置值并隨時供后續(xù)信號處理電子電路讀取。無需移動軸執(zhí)行參考點回零操作。絕對位置信息來自圓光柵碼盤,它由一系列絕對碼組成。單獨的增量刻軌信號通過細分生成位置值,同時也能生成供選用的增量信號。
單圈編碼器的絕對位置值信息每轉(zhuǎn)一圈重復(fù)一次。多圈編碼器也能區(qū)分每圈的位置值。
圖 2 絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的圓盤光柵
它們存著最大的區(qū)別:在增量編碼器的情況下,位置是從零位標記開始計算的脈沖數(shù)量確定的,而絕對型編碼器的位置是由輸出代碼的讀數(shù)確定的。在一圈里,每個位置的輸出代碼的讀數(shù)是唯一的,因此當電源斷開時,絕對型編碼器并不與實際的位置分離。如果電源再次接通,那么位置讀數(shù)仍是當前的、有效的,不像增量編碼器那樣,必須去尋找零位標記。
三、編碼器工作原理
由一個中心有軸的光電碼盤,其上有環(huán)形通、暗的刻線,有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差(相對于一個周波為360度),將C、D信號反向,疊加在A、B兩相上,可增強穩(wěn)定信號;另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。
由于A、B兩相相差90度,可通過比較A相在前還是B相在前,以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),通過零位脈沖,可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料,玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線,其熱穩(wěn)定性好,精度高,金屬碼盤直接以通和不通刻線,不易碎,但由于金屬有一定的厚度,精度就有限制,其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數(shù)量級,塑料碼盤是經(jīng)濟型的,其成本低,但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。
分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率,也稱解析分度、或直接稱多少線,一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。
圖 3 編碼器
四、位置測量及反饋控制原理
在電梯、機床、材料加工、電動機反饋系統(tǒng)以及測量和控制設(shè)備中,編碼器占領(lǐng)著極其重要的地位。編碼器運用光柵和紅外光源通過接收器將光信號轉(zhuǎn)換成TTL(HTL)的電信號,通過對TTL電平頻率和高電平個數(shù)的分析,直觀地反映出電機的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)位置。
由于角度和位置都可以精確的測量,所以可以將編碼器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng),將控制更加精確化,這也是為什么電梯、機床等能這么精確使用的原因所在。
綜上所述,我們了解到編碼器按結(jié)構(gòu)劃分為增量式和絕對式兩種,他們也都是將其他信號,比如光信號,轉(zhuǎn)換成可以分析控制的電信號。而我們生活中常見的電梯、機床都剛好是基于電機的精確調(diào)節(jié),通過電信號的反饋閉環(huán)控制,編碼器配合變頻器也就理所當然的實現(xiàn)了精確控制。
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