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光電編碼器概述

2016/09/07

   光電編碼器,是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖、數字量或模擬量信號輸出的傳感器。利用它可以實現角度、直線位移、轉速等模擬物理量的測量。
一、特點
   它具有體積小、重量輕、品種多、功能全、高頻響應、分辨能力高、承載能力強、力矩小、耗能低;性能穩定、可靠、使用壽命長等特點。
二、編碼器分類
1、按信號的原理分:增量式編碼器、絕對式編碼器、混合式編碼器
1)增量式編碼器
   直接利用光電轉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90º,從而可方便地判斷出旋轉方向,而Z相為每轉一個脈沖,用于基準點定位。它的優點是原理構造簡單,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動的絕對位置信息。
2) 絕對式編碼器
   利用自然二進制或循環二進制(格雷碼)方式進行光電轉換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形,絕對編碼器可有若干編碼,根據讀出碼盤上的編碼,檢測絕對位置。編碼的設計可采用二進制碼、循環碼、二進制補碼等。它的特點是:
(1)可以直接讀出角度坐標的絕對值;
(2)沒有累積誤差;
(3)電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數來決定的,也就是說精度取決于位數,目前有10位、14位等多種。
3)混合式絕對值編碼器
   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。
   絕對值編碼器是一種直接編碼和直接測量的檢測裝置。它能指示絕對值位置,沒有累積誤差,電源切除后,位置信息不丟失。常用的編碼器有編碼盤和編碼尺,統稱為碼盤。從編碼器的使用記數來分類,有二進制編碼、二進制循環碼(葛萊碼)、二-十進制碼等編碼器。從結構原理分類,有接觸式、光電式和電磁式等幾種。
   混合式絕對值編碼器就是把增量制碼與絕對制碼同做在一塊碼盤上。在圓盤的較外圈是高密度的增量條紋,中間有四個碼道組成絕對式的四位葛萊碼,每1/4同心圓被葛萊碼分割成16個等分段。該碼盤的工作原理是三極記數:粗、中、精計數。碼盤轉的轉數由對“一轉脈沖”的計數表示。在一轉以內的角度位置有葛萊碼的4*16不同的數值表示。每1/4圓葛萊碼的細分有較外圓的增量碼完成。
   增量式光電編碼器:測速,測轉動方向,測移動角度、距離(相對)。
A:工作原理圖

B:工作原理:
1)光電編碼器的組成:一個中心有軸的光電碼盤,在圓盤上有規則地刻有透光和不透光的線條,在圓盤兩側,安放發光元件和光敏元件。當圓盤旋轉時,光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化,光敏元件輸出波形經過整形后變為脈沖,獲得四組正弦波信號組合:A、/A、B、/B ,每個正弦波相差90度相位差(相對于一個周波為360度)用以判斷旋轉方向。碼盤上有Z相標志(參考機械零位),每轉一圈輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。
2)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與反轉,如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉,否則為反轉;通過零位脈沖,可獲得編碼器的零位參考位。
3)當脈沖數已固定,而需要提高分辨率時,可利用90°相位差A、B兩路信號,對原脈沖數進行2倍頻或4倍頻。
4)軸的每圈轉動,增量型編碼器提供一定數量的脈沖。周期性的測量或者單位時間內的脈沖計數可以用來測量移動的速度。如果在一個參考點后面脈沖數被累加,計算值就代表了轉動角度或行程的參數。雙通道編碼器輸出脈沖之間相差為90º。能使接收脈沖的電子設備接收軸的旋轉感應信號, 因此可用來實現雙向的定位控制;另外,三通道增量型旋轉編碼器每一圈產生一個稱之為零位信號的脈沖。
C:關于碼盤
a)脈沖信號
 1.A相
 2.B相
 3.Z相
   編碼器的材料有玻璃、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,其熱穩定性就要比玻璃的差一個數量級,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。
   編碼器以每旋轉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,一般在每轉分度5~10000線。
c)機械轉速和電氣轉速
   編碼器的機械轉速以每分鐘較大可以旋轉多少圈表示——rpm。
   編碼器的電氣轉速也稱為開關頻率,是讀取每個脈沖信號的反應速度,以每秒多少次表示——Hz。
1.較大工作速度應同時兼顧編碼器的機械轉速、電氣轉速以及編碼器后續接收設備的開關頻率。
Nmax=Fmax×60/Z;Nmax:較大轉速;Fmax:較高響應頻率;Z:每轉輸出脈沖數
2.每秒鐘光電編碼器輸出的脈沖個數:
  N=電機的轉速n×每轉線數/60
  例如,當電機的轉速n=1000轉/分,線數為600,則每秒鐘光電編碼器的脈沖個數應為
  N=1000 × 600/60=10000(個)脈沖
  若n=1轉/分
  則N=1 × 600/60 =10(個)
d)信號輸出:正弦波(電流或電壓)、方波(TTL、HTL)、集電極開路(PNP、NPN)、推拉式
  其中:
  TTL為長線差分驅動(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備接口應與編碼器對應。
e)信號連接
  連接設備:計數器、PLC、計算機
  連接方式:
1. 單相連接:
   用于正反向計數和測速
2. A、B兩相連接:
   用于正反向計數、判斷正反向和測速
3. A、B、Z三相連接:
   用于帶參考位修正的位置測量。
1)PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分,開關頻率有低有高。
2)三相連接:
   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,衰減較小,抗干擾較佳,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。  
三、計數模塊編程

   增量式編碼器的問題:
1)增量型編碼器存在零點累計誤差,抗干擾較差,接收設備的停機需斷電記憶,開機應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。
2)測量速度有等時間法,和等脈沖數法。
   等時間法,選定一個單位時間,(如100mS),在單位時間里累計讀取的脈沖數時間平均,既是此時間段的平均速度。
   等
脈沖數,選定一定數量的脈沖數(如100脈沖),在累計讀到這些脈沖數的時間,作時間平均,既是此時間的平均速度。
   一般工業中多用等時法。
1、從增量式編碼器到絕對值式編碼器
   增量式編碼器以轉動時輸出脈沖,通過計數設備來計算其位置,當編碼器不動或停電時,依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣,當停電后,編碼器不能有任何的移動,當來電工作時,編碼器輸出脈沖過程中,也不能有干擾而丟失脈沖,不然,計數設備計算并記憶的零點就會偏移,而且這種偏移的量是無從知道的,只有錯誤的生產結果出現后才能知道。
   解決的方法是增加參考點,編碼器每經過參考點,將參考位置修正進計數設備的記憶位置。在參考點以前,是不能保證位置的準確性的。為此,在工控中就有每次操作先找參考點,開機找零等方法。
   這樣的方法對有些工控項目比較麻煩,甚至不允許開機找零(開機后就要知道準確位置),于是就有了絕對編碼器的出現。
2、絕對值式光電編碼器
   工作原理:
   圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道,相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系,碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數。
   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字值。
   當掉電時, 絕對型編碼器的位置不會丟失 。
1)絕對值編碼器,在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道,每條道上由透光和不透光的扇形區相間組成,相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系,碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數,在碼盤的一側是光源,另一側對應每一碼道有一光敏元件;當碼盤處于不同位置時,各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號,形成二進制數。這種編碼器的特點是不要計數器,在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。顯然,碼道越多,分辨率就越高,對于一個具有 N位二進制分辨率的編碼器,其碼盤必須有N條碼道。  
2)它有一個絕對零位代碼,當停電或關機后,再開機重新測量時,仍可準確地讀出停電或關機位置的代碼,并準確地找到零位代碼。  
3)絕對式編碼器軸旋轉時,有與位置對應的代碼(二進制、BCD碼等)輸出。從代碼大、小的變更,即可判別正反方向和位移所處的位置,而無需判向電路。
4)格雷碼每次只變化一位。
5)旋轉編碼器的格雷碼也是循環碼,其較高位與較低位同樣遵循只變化一位的規律。
   
   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。旋轉絕對值編碼器,以轉動中測量光電碼盤各道刻線,以獲取唯一的編碼。這樣的編碼只能用于旋轉范圍360度以內的測量,稱為單圈絕對值編碼器。
   
   旋轉絕對值編碼器,以轉動中測量光電碼盤各道刻線,以獲取唯一的編碼,當轉動超過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。如果要測量旋轉超過360度范圍,就要用到多圈絕對值編碼器。編碼器生產廠家運用鐘表齒輪機械的原理,當中心碼盤旋轉時,通過齒輪傳動另一組碼盤(或多組齒輪,多組碼盤),在單圈編碼的基礎上再增加圈數的編碼,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,而無需記憶。
5、機械安裝
1)安裝在高速端
2)安裝在低速端
6、信號輸出
1)并行輸出
3)總線型輸出
4)變送一體型輸出
絕對值編碼器信號輸出有:并行輸出、串行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出。
1)并行輸出:
   絕對值編碼器輸出的是多位數碼(格雷碼或純二進制碼),并行輸出就是在接口上有多點高低電平輸出,以代表數碼的1或0,對于位數不高的絕對編碼器,一般就直接以此形式輸出數碼,可直接進入PLC或上位機的I/O接口,輸出及時,連接簡單。但是并行輸出有如下問題:
 1. 必須是格雷碼,因為如是純二進制碼,在數據刷新時可能有多位變化,讀數會在短時間里造成錯碼。
 2. 所有接口必須確保連接好,因為如有個別連接不良點,該點電位始終是0,造成錯碼而無法判斷。
 3. 傳輸距離不能遠,一般在一兩米,對于復雜環境,較好有隔離。
 4. 對于位數較多,要許多芯電纜,并要確保連接優良,由此帶來工程難度,同樣,對于編碼器,要同時有許多節點輸出,增加編碼器的故障損壞率。
2)
串行SSI輸出
   串行輸出就是通過約定,在時間上有先后的數據輸出,這種約定稱為通訊規約,其連接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。串行輸出連接線少,傳輸距離遠,對于編碼器的保護和可靠性就大大提高了。一般高位數的絕對編碼器都是用串行輸出的。
3)現場總線型輸出
   現場總線型編碼器是多個編碼器各以一對信號線連接在一起,通過設定地址,用通訊方式傳輸信號,信號的接收設備只需一個接口,就可以讀多個編碼器信號??偩€型編碼器信號遵循RS485的物理格式,其信號的編排方式稱為通訊規約,目前全世界有多個通訊規約,各有優點,還未統一,編碼器常用的通訊規約有如下幾種:PROFIBUS-DP;  CAN;DeviceNet; Interbus等。
   總線型編碼器可以節省連接線纜、接收設備接口,傳輸距離遠,在多個編碼器集中控制的情況下還可以大大節省成本。
4)變送一體型輸出
   對于某些廠家的絕對編碼器,其信號已經在編碼器內換算后直接變送輸出,其有模擬量4—20mA輸出、RS485數字輸出、14位并行輸出。
7、信號連接
 1.連接PLC或上位機
 2.連接專用顯示轉換儀表
1)編碼器如果是并行輸出的,可以直接連接PLC或上位機的輸入輸出接點I/O,其信號數學格式應該是格雷碼。編碼器有多少位就要占用PLC的多少位接點,如果是24伏推挽式輸出,高電平有效為1,低電平為0;如果是集電極開路NPN輸出,則連接的接點也必須是NPN型的,其低電平有效,低電平為1。
2)編碼器如果是串行輸出的,由于通訊協議的限制,后接電氣設備必須有對應的接口。
3)編碼器如是總線型輸出,接受設備需配專用的總線模塊,例如PROFIBUS-DP。
但是,如選擇總線型輸出編碼器,在編碼器與接收設備PLC中間,就無法加入其他顯示儀表,如需現場顯示,就要從PLC 再轉出信號給與信號匹配的顯示儀表。
8、格雷碼輸入編程

四、光電編碼器的選擇
1、分辨率:
   與位置精度有關
2、外觀尺寸:
   與安裝空間的關系
3、軸允許負重:
   與壽命、安裝狀況的關系
4、允許較大轉數(較高響應頻率):
   馬達等驅動軸的轉數與分辨率的關系
5、輸出相位差:
   與NC機械等用的控制部分的匹配情況
6、對環境的適應性:
   與使用環境的關系
7、增量型、絕對值型:
   考慮到成本,看在切斷電源時能否檢測絕對值位置。有無計數器、抗噪音性能如何等。
五、光電編碼器使用注意事項
1、機械部分
   1) 測長度還是測角度;
   2) 軸連接安裝形式;
   3) 使用環境,粉塵,水氣,震動,撞擊。
2、電氣部分
   1) 連接的輸出接收部分;
   2) 信號形式;
   3) 分辨率要求;
   4) 控制要求。
   *絕對式編碼器的問題
   *絕對值編碼器:每一個位置絕對唯一、抗干擾、無需掉電記憶。

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