一、編碼器的分類
根據(jù)檢測原理,編碼器可分為光學式、磁式、感應(yīng)式和電容式,根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式,可分為增量式、絕對式以及混合式三種。
1.1 增量式編碼器
增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相;A、B兩組脈沖相位差90。從而可方便的判斷出旋轉(zhuǎn)方向,而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖,用于基準點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單,機械平均壽命可在幾萬小時以上,抗干擾能力強,可靠性高,適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。一般如果不用斷電后仍要記錄位置的場合都可以用增量型編碼器,增量型編碼器可以接入到到高數(shù)計數(shù)功能的PLC,也可以接到常用的計數(shù)器
軸的每轉(zhuǎn)動一周,增量型編碼器提供一定數(shù)量的脈沖。周期性的測量或者單位時間內(nèi)的脈沖計數(shù)可以用來測量移動的速度。
如果在一個參考點后面脈沖數(shù)被累加,計算值就代表了轉(zhuǎn)動角度或行程的參數(shù)。雙通道編碼器輸出脈沖A、B之間相差為90度,能使接收脈沖的電子設(shè)備接收軸的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)信號,因此可用來實現(xiàn)雙向的定位控制;另外,三通道增量型旋轉(zhuǎn)編碼器每一圈產(chǎn)生一個稱之為零位信號的脈沖(Z)。
1.2 絕對式編碼器
絕對式編碼器是直接輸出數(shù)字的傳感器,在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼盤,每條道上有透光和不透光的扇形區(qū)相間組成,相鄰碼道的扇區(qū)樹木是雙倍關(guān)系,碼盤上的碼道數(shù)是它的二進制數(shù)碼的位數(shù),在碼盤的一側(cè)是光源,另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件,當碼盤處于不同位置時,各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號,形成二進制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器,在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然,碼道必須N條碼道。目前國內(nèi)已有16位的絕對編碼器產(chǎn)品。絕對式編碼器輸出的是二進制碼或格雷碼等,即使是斷電后也能記錄下當前的位置;
絕對編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線,每道刻線依次以2線、4線、8線、16 線……編排,這樣,在編碼器的每一個位置,通過讀取每道刻線的通、暗,獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼(格雷碼),這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的,它不受停電、干擾的影響。
絕對編碼器由機械位置決定的每個位置是唯一的,它無需記憶,無需找參考點,而且不用一直計數(shù),什么時候需要知道位置,什么時候就去讀取它的位置。這樣,編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。
兩者各有優(yōu)缺點,增量型編碼器比較通用,大多場合都用這種。從價格看,一般來說絕對型編碼器要貴得多,而且絕對型編碼器有量程范圍,所以一般在特殊需要的機床上應(yīng)用較多。
絕對值編碼器為每一個軸的位置提供一個獨一無二的編碼數(shù)字值。特別是在定位控制應(yīng)用中,絕對值編碼器減輕了電子接收設(shè)備的計算任務(wù),從而省去了復(fù)雜的和昂貴的輸入裝置;而且,當機器合上電源或電源故障后再接通電源,不需要回到位置參考點,就可利用當前的位置值。
1.3 混合式絕對編碼器
混合式絕對編碼器,它輸出兩組信息,一組信息用于檢測磁極位置,帶有絕對信息功能;另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。
二、光電編碼器的應(yīng)用 增量型編碼器與絕對型編碼器區(qū)別
1、角度測量
汽車駕駛模擬器,對方向盤旋轉(zhuǎn)角度的測量選用光電編碼器作為傳感器。重力測量儀,采用光電編碼器,把他的轉(zhuǎn)軸與重力測量儀中補償旋鈕軸相連,扭轉(zhuǎn)角度儀,利用編碼器測量扭轉(zhuǎn)角度變化,如扭轉(zhuǎn)實驗機、漁竿扭轉(zhuǎn)釣性測試等。擺錘沖擊實驗機,利用編碼器計算沖擊是擺角變化。
2、長度測量
計米器,利用滾輪周長來測量物體的長度和距離。
拉線位移傳感器,利用收卷輪周長計量物體長度距離。
聯(lián)軸直測,與驅(qū)動直線位移的動力裝置的主軸聯(lián)軸,通過輸出脈沖數(shù)計量。
介質(zhì)檢測,在直齒條、轉(zhuǎn)動鏈條的鏈輪、同步帶輪等來傳遞直線位移信息。
3、速度測量
線速度,通過跟儀表連接,測量生產(chǎn)線的線速度
角速度,通過編碼器測量電機、轉(zhuǎn)軸等的速度測量
4、位置測量
機床方面,記憶機床各個坐標點的坐標位置,如鉆床等
自動化控制方面,控制在牧歌位置進行指定動作。如電梯、提升機等
5、同步控制
通過角速度或線速度,對傳動環(huán)節(jié)進行同步控制,以達到張力控制
三、增量型編碼器(旋轉(zhuǎn)型)
1、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。
2、信號輸出:
信號輸出有正弦波(電流或電壓),方波(TTL、HTL),集電極開路(PNP、NPN),推拉式多種形式,其中TTL為長線差分驅(qū)動(對稱A,A-;B,B-;Z,Z-),HTL也稱推拉式、推挽式輸出,編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。
信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、PLC、計算機,PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分,開關(guān)頻率有低有高。
如單相聯(lián)接,用于單方向計數(shù),單方向測速。
A.B兩相聯(lián)接,用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速。
A、B、Z三相聯(lián)接,用于帶參考位修正的位置測量。
A、A-,B、B-,Z、Z-連接,由于帶有對稱負信號的連接,電流對于電纜貢獻的電磁場為0,衰減最小,抗干擾最佳,可傳輸較遠的距離。
對于TTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器,信號傳輸距離可達150米。
對于HTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器,信號傳輸距離可達300米。
3、增量式編碼器的問題:
增量型編碼器存在零點累計誤差,抗干擾較差,接收設(shè)備的停機需斷電記憶,開機應(yīng)找零或參考位等問題,這些問題如選用絕對型編碼器可以解決。
增量型編碼器的一般應(yīng)用:
測速,測轉(zhuǎn)動方向,測移動角度、距離(相對)。
四、絕對型編碼器(旋轉(zhuǎn)型)
絕對編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線,每道刻線依次以2線、4線、8線、16 線......編排,這樣,在編碼器的每一個位置,通過讀取每道刻線的通、暗,獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼(格雷碼),這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的,它不受停電、干擾的影響。
絕對編碼器由機械位置決定的每個位置是唯一的,它無需記憶,無需找參考點,而且不用一直計數(shù),什么時候需要知道位置,什么時候就去讀取它的位置。這樣,編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。
從單圈絕對值編碼器到多圈絕對值編碼器
旋轉(zhuǎn)單圈絕對值編碼器,以轉(zhuǎn)動中測量光電碼盤各道刻線,以獲取唯一的編碼,當轉(zhuǎn)動超過360度時,編碼又回到原點,這樣就不符合絕對編碼唯一的原則,這樣的編碼只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測量,稱為單圈絕對值編碼器。
如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360度范圍,就要用到多圈絕對值編碼器。
編碼器生產(chǎn)廠家運用鐘表齒輪機械的原理,當中心碼盤旋轉(zhuǎn)時,通過齒輪傳動另一組碼盤(或多組齒輪,多組碼盤),在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼,以擴大編碼器的測量范圍,這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器,它同樣是由機械位置確定編碼,每個位置編碼唯一不重復(fù),而無需記憶。
多圈編碼器另一個優(yōu)點是由于測量范圍大,實際使用往往富裕較多, 這樣在安裝時不必要費勁找零點, 將某一中間位置作為起始點就可以了,而大大簡化了安裝調(diào)試難度。
增量型編碼器和絕對值編碼器的區(qū)別主要有以下幾點:
1:首先絕對值編碼器的碼盤和增量型編碼器的碼盤存在差異,增量型編碼器的碼盤是在同一個圓周上有固定數(shù)量的光柵,通過光柵切割光線產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖(每圈上光柵的數(shù)量即為編碼器所謂的分辨率);而絕對值編碼器則在同樣的碼盤上在不同的圓周上有不同數(shù)量,不同間隔的光柵,即當碼盤停在某個位置時,可以通過碼盤上各圓周上的是否透光組合成固定的位置,經(jīng)過輸出線后顯示的是一個固定的數(shù)字。
2:當斷電后增量型編碼器無法記錄當前的位置,只能配合計數(shù)器等設(shè)備記錄。而絕對值編碼器本身可以記錄位置,無用擔心斷電后的記錄保存問題。
3:絕對值編碼器具有多種輸出碼制(二進制碼、十進制BCD碼、格雷碼),可以直接提供給顯示單元、PC等設(shè)備,而增量型編碼器則無法直接提供給顯示單元。
4:絕對值編碼器幾乎可以不考慮速度、干擾等問題,只要編碼器停止在某個位置,不論轉(zhuǎn)動中收到什么影響,最后終能顯示當前的位置。
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