光电编码器.docx
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光电编码器.docx
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光电编码器
一、编码器专业术语
1、线:
编码器光电码盘的一周刻线。
①增量式编码器:
10线、100线、2500线,主要码盘能刻下,可任意选数;
②绝对式编码器:
因格雷码的编排方式,决定其基本是2N线:
256线、1024线、8192线,但也有特别的格雷余码输出的:
360线、720线、3600线。
2、位:
绝对式编码器通常是用2N线输出的,所以大部分绝对式编码器也用“位”表达,当然对格雷余码输出的360线、720线、3600线例外;增量式编码器也有用“位”表示的,如15位、17位,通过内部细分,将计算的线数倍增后,一般大于10000线,就用“位”表达。
3、分辨率:
编码器可以分辨的最小角度。
一般计算360°/刻线数,目前大部分就用多少线来表达。
但对于增量式编码器,如用上A/B两相的四倍频,2500线实际分辨率为360°/10000。
如果内部细分计算的“线”可以更多,达到15位、17位。
所以通常增量式编码器用“线”表达,表示还没有倍频细分;用“位”来表达,表示已经细分过了。
高分辨率并不代表高精度。
对于实际的码盘刻线,绝对式编码器分辨率可以达到增量式编码器的两倍,但如果采用倍频技术,增量式编码器分辨率又可大于绝对式编码器。
细分倍频是电气模拟技术,并不改善精度,精度是由码盘刻线、轴的机械安装及电气的响应综合因素决定的。
分辨率,增量式可以做的更高,但是精度就是绝对式的高,因为它不受停电、干扰、速度、电气响应的影响的,尤其在高速高精的条件下,倍频细分是无法满足要求。
4、增量式VS绝对式
增量式以转动时输出脉冲,通过计数设备来检测位置。
当编码器不动或停电时,依靠计数设备的内部记忆记住位置。
这样,当停电时,编码器不能有任何的移动;当来电工作时,编码器在输出脉冲的过程中,也不能有任何的干扰而丢失脉冲。
否则,计数设备记忆的零点就会发生偏移,而且这种偏移量是无从知道的,只有产生错误的结果后才知道。
解决的办法是增加参考点,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。
所以在工控中就有每次操作先找参考点,开机找零的方法。
比如打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器的原理,每次开机“噼里啪啦”一阵响,它在找参考点,然后才工作。
这种方法在工控项目中比较复杂,甚至不允许开机找零(开机就要知道准确位置),于是就有绝对式编码器。
绝对编码器光码盘上有许多道刻线,每道刻线一次以2线、4线、8线……编排,这样在编码器的每一个位置,通过读取每道刻线的明暗,获得一组从20到2n-1的唯一的2进制编码(格雷码)。
绝对式编码器是由编码器的机械位置决定,它不受停电、干扰的影响。
绝对式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,什么时候需要知道它的位置,什么时候就去读它的位置。
这样,绝对式编码器的抗干扰能力、数据的准确性大大提高。
常用的为增量式编码器,如果对位置、零位有严格要求的选用绝对式编码器。
伺服系统要具体分析,看应用场合。
测速度常用增量式编码器,可无限累加测量;测位置用绝对式编码器,位置唯一(单圈或多圈),最终看应用场合。
绝对值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,一般用于单向控制定位。
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。
另外,GPMV0814机械转数为90圈,用此方法较合理,如果卷筒转数超过90圈,可用1:
3或1:
4齿轮组调整至转数测量范围内。
3、辅助机械安装
收绳机械安装:
钢丝绳弹簧收紧器原理图
1.收拉钢丝绳
2.测量盘
3.收紧弹簧轮1
4.收紧弹簧轮2
5.专用弹簧
6.弹性联轴器
7.编码器
用钢丝绳收绳器测量油缸行程示意图
收绳机械有弹簧自收绳位移传感器――柔性钢丝绳连接运动物体,钢丝绳盘紧在一个测量轮上,依靠恒力弹簧回收钢丝绳。
编码器连接于盘紧测量轮轴端,测量钢丝绳来回运动的旋转角度。
重锤重力收绳:
重锤浮子水位测量示意图
1编码器
2联轴器
3测量轮
4重锤收紧轮
5钢丝绳
6浮子
测量轮与恒力弹簧弹簧型相似,只是钢丝绳的回收力是依靠另一个同轴的盘紧轮挂重锤来回收。
用收绳位移测量的优点是柔性连接,测量直接而精度高,对运动物体的环境如震动、粉尘、高温水气的场合都能适用。
机械丝杠、摩擦轮、小车轮轴中心、齿轮齿条连接
在机械丝杠转轴中心安装编码器,丝杠前进1个螺距,编码器旋转一周。
通过带摩擦阻力的摩擦转轮,与相对运动物体摩擦转动,测量运动距离。
注意:
摩擦轮需始终紧靠测量物,且无跳动、打滑。
(实际使用中,某些场合有难度)
通过轨道小车的转轮中心,安装旋转编码器,测量小车行进。
小车与轨道之间不可有打滑
运动物连接齿条,带动装有齿轮的编码器,测量运动物体移动距离
为保证连紧密抗震,经常有弹簧基座。
5、单圈VS多圈
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°,编码又回到原点,这种编码器只能适合旋转范围360°以内的测量,称为单圈绝对式编码器。
多圈绝对式编码器,运用钟表机械原理,当中心码盘旋转时,通过齿轮传动,另一组码盘,在单圈编码的基础上增加圈数的编码,以扩大编码器的测量范围。
它同样是由机械位置决定编码,每个位置唯一不重复,且无需记忆。
由于测量范围大,实际使用富裕很多,这样在安装时不必费劲找零点,将某一个中间位置作为起始点就可以了,这样大大简化了调试难度。
6、电源供应
一般绝对式编码器的工作电源有两种:
5VDC或10-30VDC。
如果使用10-30VDC的绝对式编码器,就可以用PLC的24V电源。
需要注意的是:
①编码器的耗电流,在PLC的电源功率范围内。
②如果编码器是并行输出,连接PLC的I/O点,需要了解编码器的信号电平是推拉式输出还是集电极开路输出。
如果是集电极开路输出,有N型和P型,需与PLC的I/O极性相同。
而推拉式输出则没有什么问题。
③如果编码器是串行输出,一般信号电平是5V的,连接时注意不要让24V的电源电平串入5V的信号接线中而损坏编码器的信号端。
7、增量式编码器选型及使用
①机械安装尺寸:
包括定位止口、轴颈、安装孔位、电缆出线方式、安装空间体积、工作环境防护等级是否满足要求;
②分辨率:
编码器工作每转输出脉冲数,是否满足设计精度要求。
脉冲数越多,分辨率越高;
③电气接口:
编码器常见输出方式有:
推拉输出、电压输出、集电极开路、长线驱动器输出(长线驱动也称差分长线驱动,5VTTL正负波形对称形式,由于其正负电流方向相反,对外电磁抵消,故抗干扰能力很强),其输出方式应与控制系统的接口电路相匹配;
④增量式编码器通常有3路信号输出(差分有6路信号):
A、B和Z,一般采用TTL电平,A脉冲在前,B脉冲在后,A、B脉冲相差90°。
每圈发出一个Z脉冲,可作为参考机械零位。
一般利用A超前B或B超前A判向。
有产品定义为从轴端看编码器顺时针旋转为正转,A超前B90°,反之为逆时针旋转,B超前A90°。
⑤使用PLC采集数据,可采用高速计数模块;使用工控机采集数据,可选用高速计数板卡;使用单片机采集数据,建议选用带光电耦合器的输入端口。
⑥建议B脉冲做顺向(前向)脉冲,A脉冲做逆向(后向)脉冲,Z脉冲零位脉冲。
⑦在电子装置中设计数栈。
8、编码器干扰排除措施
很多时候编码器并没有坏,而只是干扰的原因,造成波形不好,计数不准。
编码器属于精磨元件,其周围干扰主要有:
是否有大型电动机、电焊机频繁启动造成干扰,是否和动力线同一管道传输。
编码器输出形式对抗干扰也很重要,一般输出带反向信号的抗干扰要好一些,即:
A+~A-,B+~B-,Z+~Z-,其特征是加电源8根线,而不是5根线(共零)。
带反向信号的在电缆中传输是对称的,受干扰小,在接收设备中也可再增加判断(例如接收设备利用A、B信号相位差,读到电平10、11、01、00四种状态,记为一有效脉冲,此方案可有效提高系统抗干扰能力)。
①排除(搬离、关闭、隔离)干扰源;
②判断是否机械间隙累积误差;
③判断是否控制系统与电路接口不匹配。
机床是否需要回参考点,是要看伺服电机使用的是绝对编码器还是增量式编码器。
如果是绝对编码器,在正常情况下由于机床各轴的零点已被记忆,所以不需要回零机床即可正常工作。
如果使用增量式编码器,机床在通电后都需要回零操作,然后开始正常工作;机床出现故障排除后,应先进行回零操作。
增量式旋转编码器:
双通道编码器输出脉冲之间相差90°,可以实现双向的定位控制;三通道编码器每一圈产生一个称之为零位信号的脉冲。
编码器每经过参考点时,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。
在工控机中,就有开机时必须执行参考点回零操作来建立原点,开机找零等方法。
利用编码器的Z脉冲实现回零,需要捕捉上电后第一个Z脉冲的上升沿。
你只要让电机沿一个方向一直走下去(最多一圈),就能保证回零。
另外,你可以采用原点开关或极限开关协助回原点。
根据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
1.1增量式编码器
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相;A、B两组脉冲相位差90º,从而可方便地判断出旋转方向,而Z相为每转一个脉冲,用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单,机械平均寿命可在几万小时以上,抗干扰能力强,可靠性高,适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
1.2绝对式编码器
绝对编码器是直接输出数字量的传感器,在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道,每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成,相邻码道的扇区数目是双倍关系,码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数,在码盘的一侧是光源,另一侧对应每一码道有一光敏元件;当码盘处于不同位置时,各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号,形成二进制数。
这种编码器的特点是不要计数器,在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。
显然,码道越多,分辨率就越高,对于一个具有N位二进制分辨率的编码器,其码盘必须有N条码道。
目前国内已有16位的绝对编码器产品。
绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制(葛莱码)方式进行光电转换的。
绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形,绝对编码器可有若干编码,根据读出码盘上的编码,检测绝对位置。
编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。
它的特点是:
(1)可以直接读出角度坐标的绝对值;
(2)没有累积误差;
(3)电源切除后位置信息不会丢失。
但是分辨率是由二进制的位数来决定的,也就是说精度取决于位数,目前有10位、14位等多种。
1.3混合式绝对值编码器
混合式绝对值编码器,它输出两组信息:
一组信息用于检测磁极位置,带有绝对信息功能;另一组则完全同增量式编码器的输出信息。
增量编码器是以脉冲形式输出的传感器,其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高。
一般只需要三条码道,这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义,而是产生计数脉冲。
它的码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区(光栅),但是两道扇区相互错开半个区。
当码盘转动时,它的输出信号是相位差为90°的A相和B相脉冲信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号(它作为码盘的基准位置,给计数系统提供一个初始的零位信号)。
从A,B两个输出信号的相位关系(超前或滞后)可判断旋转的方向。
由图3(a)可见,当码盘正转时,A道脉冲波形比B道超前π/2,而反转时,A道脉冲比B道滞后π/2。
图3(b)是一实际电路,用A道整形波的下沿触发单稳态产生的正脉冲与B道整形波相‘与’,当码盘正转时只有正向口脉冲输出,反之,只有逆向口脉冲输出。
因此,增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向和相对角位移量。
通常,若编码器有N个(码道)输出信号,其相位差为π/N,可计数脉冲为2N倍光栅数,现在N=2。
图3电路的缺点是有时会产生误记脉冲造成误差,这种情况出现在当某一道信号处于‘高’或‘低’电平状态,而另一道信号正处于‘高’和‘低’之间的往返变化状态,此时码盘虽然未产生位移,但是会产生单方向的输出脉冲。
例如,码盘发生抖动或手动对准位置时(下面可以看到,在重力仪测量时就会有这种情况)。
图4是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。
在这里,采用了有记忆功能的D型触发器和时钟发生电路。
由图4可见,每一道有两个D触发器串接,这样,在时钟脉冲的间隔中,两个Q端(如对应B道的74LS175的第2、7引脚)保持前两个时钟期的输入状态,若两者相同,则表示时钟间隔中无变化;否则,可以根据两者关系判断出它的变化方向,从而产生‘正向’或‘反向’输出脉冲。
当某道由于振动在‘高’、‘低’间往复变化时,将交替产生‘正向’和‘反向’脉冲,这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影响(下面仪器的读数也将涉及这点)。
由此可见,时钟发生器的频率应大于振动频率的可能最大值。
由图4还可看出,在原一个脉冲信号的周期内,得到了四个计数脉冲。
例如,原每圈脉冲数为1000的编码器可产生4倍频的脉冲数是4000个,其分辨率为0.09°。
实际上,目前这类传感器产品都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起,所以只要加上细分与计数电路就可以组成一个角位移测量系统(74159是4-16译码器)。
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