編碼器的選型及技術(shù)解答

2023-08-01

一、問(wèn):增量旋轉(zhuǎn)編碼器選型有哪些注意事項(xiàng)?應(yīng)注意三方面的參數(shù):

 

      1. 機(jī)械安裝尺寸，包括定位止口，軸徑，安裝孔位;電纜出線方式;安裝空間體積;工作環(huán)境防護(hù)等級(jí)是否滿足要求。

 

      2.分辨率， 即編碼器工作時(shí)每圈輸出的脈沖數(shù)，是否滿足設(shè)計(jì)使用精度要求。

 

      3.電氣接口，編碼器輸出方式常見(jiàn)有推拉輸出(F型HTL格式)，電壓輸出(E),集電極開(kāi)路(C,常見(jiàn)C為NPN型管輸出，C2為PNP型管輸出)，長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器輸出。其輸出方式應(yīng)和其控制系統(tǒng)的接口電路相匹配。

 

      二、問(wèn):請(qǐng)教如何使用增量編碼器?

 

      1,增量型旋轉(zhuǎn)編碼器有分辨率的差異，使用每圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)計(jì)量，數(shù)目從6到5400或更高，脈沖數(shù)越多，分辨率越高;這是選型的重要依據(jù)之一。

 

      2,增量型編碼器通常有三路信號(hào)輸出(差分有六路信號(hào)): A,B和Z,一般采用TTL電平，A脈沖在前，B脈沖在后，A,B脈沖相差90度，每圈發(fā)出一個(gè)Z脈沖，可作為參考機(jī)械零位。一般利用A超前B或B超前A進(jìn)行判向，增量型編碼器定義為軸端看編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，A超前B為90°，反之逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn)B超前A為90°.也有不相同的，要看產(chǎn)品說(shuō)明。

 

      3，使用PLC采集數(shù)據(jù)，可選用高速計(jì)數(shù)模塊;使用工控機(jī)采集數(shù)據(jù)，可選用高速計(jì)數(shù)板卡;使用單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，建議選用帶光電精合器的輸入端口。

 

      4,建議B脈沖做順向(前向)脈沖，A脈沖做逆向(后向)脈沖，Z原點(diǎn)零位脈沖。5，在電子裝置中設(shè)立計(jì)數(shù)棧。

 

      增量型編碼器與絕對(duì)型編碼器的區(qū)分:編碼器如以信號(hào)原理來(lái)分，有增量型編碼器,絕對(duì)型編碼器。

增量型編碼器(旋轉(zhuǎn)型)工作原理:由一個(gè)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(hào)組合成A、B. C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差(相對(duì)于一個(gè).周波為360度)，將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào);另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)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(guò)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(guò)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。金屬碼盎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(gè)數(shù)量級(jí)。塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)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。

 

信號(hào)輸出:信號(hào)輸出有正弦波(電流或電壓) ,方波(TTL、HTL) , 集電極開(kāi)路(PNP、NPN) , 推拉式多種形式，其中TTL為長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)(對(duì)稱A,A-;B, B-;Z,Z-) ,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。

 

信號(hào)連接:編碼器的脈沖信號(hào)一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC 和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速:模塊之分，開(kāi)關(guān)頻率有低有高。如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測(cè)速。A.B兩相聯(lián)接，用于正反向.計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。A. B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測(cè)量。A. A-, B. B-, Z、Z-連接，

由于帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)的連接，電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。對(duì)于TTL的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)150米。對(duì)于HTL的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)300米。

 

增量型編碼器的一般應(yīng)用:測(cè)速，測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，測(cè)移動(dòng)角度、距離(相對(duì))。

 

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器原理增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)內(nèi)部 兩個(gè)光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時(shí)序和相位關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量增加(正方向)或減少(負(fù)方向)。在接合數(shù)字電路特別是單片機(jī)后，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測(cè)量和角速度測(cè)量較絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器更具有廉價(jià)和簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)。下面對(duì)增 量式旋轉(zhuǎn)編碼器的內(nèi)部工作原理(附圖) A,B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)兩個(gè)光敏接受管，A,B兩點(diǎn)間距為S2 ,角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1.當(dāng)角度碼盤以某個(gè)速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，那么可知輸出波形圖中的S0: S1: S2 比值與實(shí)際圖的S0: S1: S2 比值相同，同理角度碼盤以其他的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出波形圖中的S0: S1: S2 比值與實(shí)際圖的S0: S1: S2比值仍相同。如果角度碼盤做變速運(yùn)動(dòng)，把它看成為多個(gè)運(yùn)動(dòng)周期(在下面定義)的組合，那么每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中輸出波形圖中的S0: S1: S2 比值與實(shí)際圖的S0: S1: S2 比值仍相同。通過(guò)輸出波形圖可知每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的時(shí)序?yàn)轫槙r(shí)針運(yùn)動(dòng):  AB  逆時(shí)針運(yùn)

 

動(dòng):  AB  11  11  01

 

      10  00  00  10

 

      0 1我們把當(dāng)前的A,B輸出值保存起來(lái)，與下一個(gè)A,B輸出值做比較，就可以輕易的得出角度碼盤的運(yùn)動(dòng)方向，如果光柵格S0等于S1時(shí)，也就是S0和S1弧度夾角相同，且S2等于S0的1/2,那么可得到此次角度碼盤運(yùn)動(dòng)位移角度為S0弧度夾角的1/2,除以所消毫的時(shí)間，就得到此次角度碼盤運(yùn)動(dòng)位移角速度。S0等于S1時(shí)， 且S2等于S0的1/2時(shí)，1/4個(gè)運(yùn)動(dòng)周期就可以得到運(yùn)動(dòng)方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2,那么要1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期才可以得到運(yùn)動(dòng)方向位和位移角度了。

 

增量式編碼器的問(wèn)題:增量型編碼器存在零點(diǎn)累計(jì)誤差，抗干擾較差，接收設(shè)備的停機(jī)需斷電記憶，開(kāi)機(jī)，應(yīng)找零或參考位等問(wèn)題，這些問(wèn)題如選用絕對(duì)型編碼器可以解決。

 

      絕對(duì)型編碼器(旋轉(zhuǎn)型):絕對(duì)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(gè)位置，通過(guò)讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1 (N減1)次方的唯一的2進(jìn)制編碼(格雷碼)，這就稱為n位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置是唯一的，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)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(duì)值編碼器到多圈絕對(duì)值編碼器。

 

      旋轉(zhuǎn)單圈絕對(duì)值編碼器，以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)360度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對(duì)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(cè)量，稱為單圈絕對(duì)值編碼器.

 

      如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度范圍，就要用到多圈絕對(duì)值編碼器。編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)另一組碼盤(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(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍，這樣的絕對(duì)編碼器就稱為多圈式絕對(duì)編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無(wú)需記憶。多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測(cè)量范圍大，實(shí)際使用:往往富裕較多，這樣在安裝時(shí)不必要 費(fèi)勁找零點(diǎn)，將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了， 而大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試難度。

三、關(guān)于戶外使用或惡劣環(huán)境下使用;例如:野外使用，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境臟，而且怕撞壞編碼器。

 

      TR有鋁合金(特殊要求可做不銹鋼材質(zhì))密封保護(hù)外殼，雙重軸承重載型編碼器，放在戶外不怕臟，鋼廠、重型設(shè)備里都可以用。不過(guò)如果編碼器安裝部分有空間，我還是建議在編碼器外部再加裝一防護(hù)殼，.以加強(qiáng)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，必竟編碼器屬精密元件，一臺(tái)編碼器和一個(gè)防護(hù)殼的價(jià)值比較還是有一定差距的。

 

四、從接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)到旋轉(zhuǎn)編碼器:

 

工業(yè)控制中的定位，接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟了，而且很好用�？墒牵�隨著工控的不斷發(fā)展，又有了新的要求，這樣，選用旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)就突出了:信息化:除了定位，控制室還可知道其具體位置;柔性化:定位可以在控制室柔性調(diào)整;

 

現(xiàn)場(chǎng)安裝的方便和安全、長(zhǎng)壽:拳頭大小的一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，可以測(cè)量從幾個(gè)μ到幾十、幾百米的距離，n個(gè)工位，只要解決一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的安全安裝問(wèn)題，可以避免諸多接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械安裝麻煩，容易被撞壞和遭高溫、水氣困擾等問(wèn)題。由于是光電碼盤，無(wú)機(jī)械損耗，只要安裝位置準(zhǔn)確，其使用壽命往往很長(zhǎng)。

 

多功能化:除了定位，還可以遠(yuǎn)傳當(dāng)前位置，換算運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)于變頻器，步進(jìn)電機(jī)等的應(yīng)用尤為重要。經(jīng)濟(jì)化:對(duì)于多個(gè)控制工位，只需一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的成本，以及更主要的安裝、維護(hù)、損耗成本降低，使用壽命增長(zhǎng)，其經(jīng)濟(jì)化逐漸突顯出來(lái)。

 

如上所述優(yōu)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器已經(jīng)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于各種工控場(chǎng)合。

 

      五、關(guān)于電源供應(yīng)及編碼器和PLC連接:

 

      一般編碼器的工作電源有三種: 5Vdc、 5-13 Vdc或11-26Vdc.如果你買的編碼器用的是11-26Vdc的， 就可以用PLC的24V電源，需注意的是:

 

      1. 編碼器的耗電流，在PLC的電源功率范圍內(nèi)。

 

      2.編碼器如是并行輸出， 連接PLC的1/0點(diǎn)，需了解編碼器的信號(hào)電平是推拉式(或稱推挽式)輸出還是集電極開(kāi)路輸出，如是集電極開(kāi)路輸出的，有N型和P型兩種，需與PLC的1/0極性相同。如是推拉式輸出則連接沒(méi)有什么問(wèn)題。

 

      3.編碼器如是驅(qū)動(dòng)器輸出， 一般信號(hào)電平是5V的，連接的時(shí)候要小心，不要讓24V的電源電平串入5V的信號(hào)接線中去而損壞編碼器的信號(hào)端。(有些公司也可以做寬電壓驅(qū)動(dòng)器輸出 (5-30 Vdc)，有此要求定貨時(shí)要注明)

 

      六、在很多的情況之下是編碼器并沒(méi)有壞，而只是干擾的原因，造成波型不好，導(dǎo)致計(jì)數(shù)不準(zhǔn)。請(qǐng)教如何進(jìn)行判斷?

 

      編碼器屬精密元件，這主要因?yàn)榫幋a器周圍干擾比較嚴(yán)重，比如:是否有大型電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)頻繁起動(dòng)造成干擾，是否和動(dòng)力線同一管道傳輸?shù)取?

 

      選擇什么樣的輸出對(duì)抗干擾也很重要，一般輸出帶反向信號(hào)的抗干擾要好一些，即

 

      A+ A-,B+" B-,Z+ z-，其特征是加上電源8根線，而不是5根線(共零)。帶反向信號(hào)的在電纜中的傳輸是對(duì)稱的，受干擾小，在接受設(shè)備中也可以再增加判斷(例如接受設(shè)備的信號(hào)利用A. B信號(hào)90°相位差，讀到電平10、11. 01. 00四種狀態(tài)時(shí)，計(jì)為一有效脈沖，此方案可有效提高系統(tǒng)抗干擾性能(計(jì)數(shù)準(zhǔn)確) )。

 

      就是編碼器也有好壞，其碼盤\電子芯片\內(nèi)部電路\信號(hào)輸出的差別很大，要不然怎么一個(gè)1000線的增量型編碼器會(huì)從300多元到3000多元差別那么大呢?

 

      ①排除(搬離、關(guān)閉、隔離)干擾源，②判斷是否為機(jī)械間隙累計(jì)誤差，③判斷是否為控制系統(tǒng)和編碼器的電路接口不匹配(編碼器選型錯(cuò)誤) ;①②③方法償試后故障現(xiàn)象排除，則可初步判斷，若未排除須進(jìn)一步分析。

 

      判斷是否為編碼器自身故障的簡(jiǎn)單方法是排除法。公司編碼器已規(guī)�；�生產(chǎn)，技術(shù)生產(chǎn)已成熟運(yùn)用，并且所有產(chǎn)品出廠前經(jīng)過(guò)100%的檢測(cè)，產(chǎn)品故障率幾乎為0.