增量式编码器介绍

发布时间:2019-07-23

Encoder)参数及选型简介

编码器(encoder:

编码器是以数字化信息将角度、长度、速度等物理量的信息以数字量0、1编码的方式输出的传感器,由于其具有高精度,大量程测量,反应快,数字化输出特点;体积小,重量轻,机构紧凑,安装方便,维护简单,工作可靠等优良特点,故成为当今工业控制系统备受青睐及不可或缺的一部分。

1)其以测量方式来分,有直线型编码器,旋转型编码器。

2)其以输出信号来分,有增量型编码器,绝对型编码器。

3)其以内部的反应元件分,有光电式编码器,磁栅式编码器。

4其以机械机构形式分,有轴承式编码器和无轴承式编码器(EX:海德汉)

(Incremental Rotary Encoders)

工作原理:

        由一个中心有轴的光电码盘,其上有环形明、暗均匀间隔的刻线,通过光电发射元件和接收器件来获得四组正弦波信号:A、B、/A、/B,每个正弦波相差90度相位差(相对于一个周波为360度),通过电路处理后便可得到A,B两相差90°的方波脉冲或正弦波;另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

由于A、B两相相差90度,可通过比较A相在前还是B相在前,以判别编码器的正转与反转,通过零位脉冲,可获得编码器的零位参考位

码盘的材料:

有玻璃、金属、塑料。玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线,其热稳定性好,精度高:金属码盘直接以通和不通刻线,不易碎,但由于金属有一定的厚度,精度就有限制,其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级:塑料码盘是经济型的,其成本低,但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

旋转编码器的整体结构,讲述一下,以知道其内部结构,安装形式。

增量式编码器结构及常用参数

       机械外型(Mechanical—编码器以转轴类型分,有实心轴(shaft/ Full)和空心轴(hollow type)之分;而空心型又分为全中空(Through Shaft/Though)和半中空(Hollow Shaft/ Blind)型:就安装法兰分,有同步法兰型(synchro-flange),夹紧法兰(clamping flange)型、弹夹片(stator)型。

       轴径尺寸(Shaft Dimension—编码器实心轴轴径有6毫米*、8毫米、10毫米*、12毫米等,空心轴的轴径有8毫米、10毫米、12毫米*、大口径20~50毫米*等,其中带*号的是常规规格。

       分辨率(Resolution—编码器在单转时每旋转一周所输出的信号个数称之为分辨率,也称解析度、或直接称多少线,一般编码器输出线数为5~10000线。如:1024ppr、2048ppr等

       响应频率(Frequence—编码器在机械转速所允许的范围内所能获得的最大输出感应频率,也就是在一秒钟内所能感应到的信号的个数。比如:0~200KHZ。

       机械转速 (Speed) —编码器的结构设计使得其所能达到和承受的最大旋转速度,其表示为一分钟内所能达到的旋转速度—rpm;(故编码器的最大工作速度应同时兼顾编码器的机械转速、响应频率以及编码器后续接收设备的开关频率)

       工作电源 Power-Vcc—编码器一般只有两种电压,其一为DC9~36V,另一为DC5V标准电压

       工作温度(Temperature—编码器的最高最低工作温度代表了编码器内部机械[配合和组成以及电子元气件的水平,较好的编码器工作温度从-40到100℃。事实上在低温情况下,受限制的是内部电子零件和外部的电缆以及密封特性。

       防护等级(Protection—是指编码器的防尘、防水性能,以国际标准IP(International Protection)的两位数表示,第一位0—6代表防尘,第二位0—8代表防水,IP54是最低的有限制条件的防尘防水标准,IP67可防水浸。并非在室内恒温条件下工作就不需要防水,因为编码器在工作和停机两种情况下,内部空气会热胀冷缩,密封不好,在停机是会有压缩性水气进入。专业的编码器的防护等级分电气外壳部分和转轴部分,有不同。转轴部分由于编码器的旋转要求,往往要略低。

       传输距离(Cable length—对于TTL(DC 5V)的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达150米左右。对于HTL(DC:9~30V)的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达300米左右。

        编码器轴负荷(Load on shaft—因为要考虑到编码器在运转过程中轴所能承受的的最大负荷,故应根据客户对轴负荷的要求来帮助他们选取适宜的编码器。此负荷分轴向受力(Axial shaft load)(垂直轴径的方向)和径向受力(Radial shaft load)(与轴径同向),根据产品质量不同有几N到上百N等。

       编码器输出信号(Output Signals):

1) 只有A相单信号,此状况用于单方向计数,单方向测速(此一般为低端编码器)。

       2) A、B两相联接,此用于正反向计数、判断正反向和测速。

3) A、B、Z三相联接,除了具备“2)”所有功能外,还用于带参考位修正的位置测量。

       4) A、/A,B、/B,Z、/Z连接,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场抵消为0,此状况衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离。

    5)A、/A,B、/B,Z、/Z,U、/U,V、/V,W、/W连接,此编码器带有U,V,W相,是用在伺服电机上用来磁极对位而决定控制点的初始位置的。其U,V,W之间一般以相差120°为最多。(Sumtak,Tamagawa具体产品如下所示:)

       信号形式(Signal types:

     (1) 首先从波形上有正弦波(*)输出和方波输出这两种波形

     (2) 具体的信号输出形式又可细分为如下几种:

      1. 推拉输出型(Push-pull Output).此输出电路又称为HTL ,其电源电压一般为:DC10~36V,因有较大的电源功率,故即有良好的抗干扰能力又可以实现长线传输。

       2. 集电极开路型(Open-collector)此电路设计是为了更好的与一些PLC接口兼容。根据输出端三极管的极性不同,其又分为:NPN和PNP这两种。


3.长线驱动型(Line Drive)此电路电源电压为DC5V,为TTL电平输出,与国际标准RS422接口直接兼容。此电路输出信号为A、/A,B、/B,Z、/Z,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场抵消为0,此状况衰减最小,抗干扰最佳,反应时间较短,又可传输较远的距离。

编码器其它相关知识

电缆及插头输出(Cable ,Connector—编码器的信号线一般有直接线缆引出和利用航空插头引出,这个视客户的具体要求而帮他们选择之

最大响应频率计算公式(Frequence—F=P·n/60 ( F单位为Hz, P为编码器的解析度, N为电机及编码器的最大机械旋转速度 )

编码器存放注意事项(Storage Options )—因编码器为精密类产品,故不可受强力碰撞或敲击,在运输过程中亦要保证不能受到大的颠簸而导致损坏。

传输线缆(Cable—对于需要较远传输距离的编码器来说,其输出线缆务必采用双绞屏蔽线,如此,才可以保证信号所受干扰最小。且屏蔽线有而且只能有一端接地,具体是接在编码器端还是客户端视实际情况而

接线走向在实际的工业现场中,因考虑到大功率电源线所发出的干扰波,故编码器的线缆不可与电源线呈平行状态来排布,尽量使二者为垂直走向为最佳。

编码器接线要点编码器在实际接线时要严格以该产品的使用说明书为准,不可接错,尤其不能使电源线反接,否则,将有烧坏编码器的可能。信号线若连接不正确,则将会输出乱码或使驱动系统无法运行

有客户问为什么编码器会有如此大的价格差异

1)首先从电路部分,包括元气件以及信号输出功能部分,因不同的选择便会有较大的价格差异

2)机械部分采用性能不同的轴承,包括本体的材料等,亦会有较大之差

3)编码器的IP防护等级,本身所能承受的温度范围,所承受的震动,负载等,

4)整体的制作环境,完善的实验测试设备和环境,以及产品所达到的精度等

一般客户的基本选型参数

1) 首先问是选用增量式还是绝对式

2) 然后是问增量式的解析度或绝对式的位数,如1024ppr, 12bits

3) 接下来问客户所需要编码器的电源电压以及信号输出形式,比如:24V HTL 输出,5V Line Drive 输出

4) 最后问对方所需求编码器的外围尺寸,轴(实心或空心)及轴的尺寸

5) 基本上而言,如果能确定了以上数据之后,便基本上可以替对方选出一款符合对方要求的编码器了

增量式编码器的不足之处:

因为增量式编码器只是每周输出一定数量的脉冲数字,有一个参考零点来做基准点的调整。但此编码器有一问题是当工作中出现掉电后将失去基准位置,也就是再上电时还得重新来寻找基准点,如此在有些工业现场中是不允许这样的。为此,针对增量式的这种不足,便有了绝对值式编码器的出现,绝对式编码器具有掉电记忆功能,弥补了增量式的这种不足。

增量式编码器金属光栅及实际运转结构,如上所示:

磁栅式无轴承型编码器,如下图所示:

空心轴,实心轴示例图: