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          技術頻道

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          從步進電機到智能系統,編碼器究竟如何選擇?

          時間:2021-06-10 17:02:53來源:中國傳動網

          導語:?編碼器根據刻度方法及信號輸出形式,可分為增量式編碼器、絕對值編碼器、混合式編碼器。增量式編碼器和絕對式編碼器較為常見,但區別二者成為了困擾廣大用戶的難題。

          編碼器作為一種轉換信號的器件,廣泛應用于我們生活的四周。

          在智能車比賽中,需要利用編碼器檢測車模的瞬時速度,實現對車模速度的閉環反饋控制,從而使得小車的控制板能夠根據賽道路況的變化而執行軟件給定的指令,如加速、減速、轉彎等。

          在天體探索中,科學家使用大型天文望遠鏡對恒星進行追蹤時,天文望遠鏡要達到一定的速度控制精度,就需要選取合適的編碼器。不過此時對編碼器的要求非常高,比如當恒星速度為0.004%,需要分辨率為26位的編碼器才能符合測速要求。

          此外,還有電梯專用型編碼器、機床專用編碼器、伺服電機專用型編碼器等等,可以說編碼器無處不在。

          從步進電機到智能系統,編碼器究竟如何選擇?

          那到底什么是編碼器呢?

          按照定義來看,編碼器是將信號(如比特流)或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。

          簡單理解就是,將人類不能直接理解的信號轉換成我們人類能夠直接理解的信號,以便于我們對設備或器件進行支配。

          編碼器根據刻度方法及信號輸出形式,可分為增量式、絕對值、混合式。

          增量式和絕對式較為常見,但區別二者成為了困擾廣大用戶的難題。

          因此,在這里只將增量式和絕對式做一個對比,讓用戶在將來選擇時,能做出一個更好的選擇。

          首先,兩者的工作原理各不相同:

          1、增量式編碼器的工作原理:

          增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號,再把這個電信號轉變成計數脈沖,用脈沖的個數表示位移的大小。

          拿倒水來形容,增量式編碼器好比,找一個不知道大小的杯子然后往里面倒水,當倒滿一次,就把杯子清空一次,然后再倒水,最后根據倒滿杯子的次數來計算距離。

          從構造上來看,增量式編碼器由連接軸、碼盤、光源和輸出電路等構成。其實,編碼器基本上都是這個構成,下面就不再重復了。

          增量式編碼器由光電發射器件和接收器件獲得四組正弦波信號,分別組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差,四組相差360度(即一個周波)。將C、D信號反向,疊加在A、B兩相上,從而起到增強穩定信號的作用;另外,每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。

          由于A、B兩相前后相差90度,故可通過比較A、B兩相哪個在前來判別編碼器的正轉與反轉。

          通過零位脈沖,可獲得編碼器的零位參考位。通過零位參考位和脈沖數量來計算距離和角度等參量。

          2、絕對式編碼器的工作原理

          絕對式編碼器的碼盤上有許多道刻線,用以編排編碼器上的每一個位置。由于每一個位置都不一樣,所以想知道位移大小,只要知道起始位置和終止位置就可以了,不用像增量式編碼器一樣需要一直計數。

          還是拿倒水來舉例,絕對式編碼器好比,找一個有刻度的、更高的杯子,往里面倒水,最后根據起始和終止的刻度來計算距離。

          從結構上來看,絕對式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,在編碼器的任意一個位置,都可以通過讀取每道刻線的通、暗,獲得一組從2的零次方到2n-1次方的唯一的二進制編碼(格雷碼),這也就是n位絕對編碼器。

          這樣的編碼器是由光電碼盤的機械位置(起、止位置)決定的,因而不會受到停電、外界干擾的影響,這也是絕對式編碼器的優良特性之一。

          由于這一特性,絕對式編碼器無需記憶,無需找零參考點,而且還不用一直計數,因此,編碼器的抗干擾特性、數據的可靠性大大提高了。

          基于絕對式編碼器的構造,它一定會面臨著一個問題:計數計到最大值。

          為了解決這個問題,從而出現了多圈絕對式編碼器。

          針對多圈絕對式編碼器,常見的有以下三種設計方案:

          第一種,在編碼器內部,用機械齒輪耦合多個軸,用來計算總的圈數。

          拿倒水舉例子,也就是之前提到的那個有刻度的杯子,當這個杯子倒滿了時,再找一個有刻度的、更大的杯子,把小杯子里的水倒進大杯子里,最后大小杯子相加計算距離。

          第二種,就是用電子計數器和電容器,來計算總共轉過的圈數。

          從步進電機到智能系統,編碼器究竟如何選擇?

          還是拿倒水舉例子,這一次當有刻度的杯子倒滿了時,把水倒出來,同時使用計數器來計量倒滿的次數,最后通過計數器和杯子相加來計算距離。

          第三種,在一些磁編碼器中,采用韋根金線,并利用韋根效應來計數。

          以上的三種方法都需要付出一定的代價,比如說第一種,因為用到了機械齒輪,所以會給編碼器帶來磨損,使得精度降低。

          至于構成多圈絕對值編碼器的方案,在這里不多過描述,感興趣的朋友可以去查閱相關資料。

          兩者因為工作原理和機械構成不同,產生了兩個非常大的區別:

          1、通斷電記憶不同

          增量式編碼器沒有記憶,斷電重啟必須回到參考零位,才能找到需要的位置,每次通斷電都要重新開始。

          最常見的增量式編碼器就是打印機掃描儀的定位,每次打印機開機時,我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響,其實這是打印機在尋找參考零點,在這之后才能工作。

          而絕對式編碼器有記憶,斷電重啟不用回到零位,即可知道目標所在的位置。這使得絕對式編碼器不會在過程中受到干擾,其抗干擾特性、數據的可靠性大大提高。

          2、碼盤不同

          由于兩者的計數方式不相同,因此兩者的碼盤也相差極大。

          碼盤的不同,是絕對式編碼器和增量式編碼器的最大區別之一。

          除以上區別外,絕對式編碼器和增量式編碼器還有很多細小的區別:

          3、輸出信號不同

          增量式編碼器輸出的是脈沖信號,而絕對式編碼器輸出的是一組二進制的數值。

          4、計數量受限不同

          增量式編碼器的轉數不受限制,而絕對式編碼器不能超過轉數的量程。

          5、應用領域不完全相同

          有無斷點記憶使得增量式編碼器和絕對式編碼器在應用領域上有很大的不同,增量式編碼器更適合用于確定速度,距離或運動方向,而絕對式編碼器由于其特性在工控定位領域應用越來越廣泛。

          6、價格不一樣

          由于絕對式編碼器的優良特質,在價格上比增量式編碼器要高出一些。

          有了二者的區別,我們再來看看要選擇編碼器的時候,需要注意哪些要素:

          是否需要斷電保持

          如果是需要持續性檢查的場合就必須使用絕對式編碼器。

          需要的測量精度

          相對而言,絕對式編碼器的精度比增量式編碼器的精度會更高一些。

          分辨率

          編碼器的分辨率,即電機轉子軸旋轉一圈時編碼器輸出的脈沖個數。分辨率的高低是影響測速效果最為關鍵的因素之一。

          需要的最大速度

          編碼器的測速方法分為三類:T法、N法和M/T法。

          一般來講,T法在低速區測速效果最好,M法在高速區優于T法。M/T法雖然實現的方法比MT法都要高很多,但在大多數情況下,其測速精度也有優于另外兩種。

          需要的碼盤材質

          編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料。

          從步進電機到智能系統,編碼器究竟如何選擇?

          玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線,其熱穩定性好,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,精度可能會受到影響,其熱穩定性也要比玻璃的差很多。

          塑料碼盤是經濟型的,其成本低,但精度、熱穩定性、壽命均要差一些。

          編碼器的選擇除了以上列舉的因素外,還要很多其他的因素,具體的要基于使用的場合及環境做出選擇。

          最好的選擇方法肯定是直接和生產廠商進行溝通,向他們傳達自己的需要以及自己顧慮的問題,他們會給出很好的建議。屆時,就可以根據自己的了解去考慮他們的建議了。

          標簽: 編碼器

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