編碼器介紹
編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。前者成為碼盤,后者稱碼尺.按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種.接觸式采用電刷輸出,一電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”;非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件,采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”。
按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號,再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖,用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼,因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關,而與測量的中間過程無關。
從接近開關、光電開關到旋轉(zhuǎn)編碼器
工業(yè)控制中的定位,接近開關、光電開關的應用已經(jīng)相當成熟了,而且很好用。可是,隨著工控的不斷發(fā)展,又有了新的要求,這樣,選用旋轉(zhuǎn)編碼器的應用優(yōu)點就突出了:
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)場安裝的方便和安全、長壽:拳頭大小的一個旋轉(zhuǎn)編碼器,可以測量從幾個μ到幾十幾百米的距離,n個工位,只要解決一個旋轉(zhuǎn)編碼器的安全安裝問題,可以避免諸多接近開關、光電開關在現(xiàn)場機械安裝麻煩,容易被撞壞和遭高溫、水氣困擾等問題。由于是光電碼盤,無機械損耗,只要安裝位置準確,其使用壽命往往很長。
多功能化:除了定位,還可以遠傳當前位置,換算運動速度,對于變頻器,步進電機等的應用尤為重要。
經(jīng)濟化:對于多個控制工位,只需一個旋轉(zhuǎn)編碼器的成本,以及更主要的安裝、維護、損耗成本降低,使用壽命增長,其經(jīng)濟化逐漸突顯出來。
如上所述優(yōu)點,旋轉(zhuǎn)編碼器已經(jīng)越來越廣泛地被應用于各種工控場合。
從增量式編碼器到絕對式編碼器
旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖,通過計數(shù)設備來知道其位置,當編碼器不動或停電時,依靠計數(shù)設備的內(nèi)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(shù)設備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(chǎn)結果出現(xiàn)后才能知道。
解決的方法是增加參考點,編碼器每經(jīng)過參考點,將參考位置修正進計數(shù)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。
比如,打印機掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理,每次開機,我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響,它在找參考零點,然后才工作。
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(xiàn)。
絕對型旋轉(zhuǎn)光電編碼器,因其每一個位置絕對唯一、抗干擾、無需掉電記憶,已經(jīng)越來越廣泛地應用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制。
絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線,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。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的,它不受停電、干擾的影響。
絕對編碼器由機械位置決定的每個位置的唯一性,它無需記憶,無需找參考點,而且不用一直計數(shù),什么時候需要知道位置,什么時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。
由于絕對編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器,已經(jīng)越來越多地應用于工控定位中。絕對型編碼器因其高精度,輸出位數(shù)較多,如仍用并行輸出,其每一位輸出信號必須確保連接很好,對于較復雜工況還要隔離,連接電纜芯數(shù)多,由此帶來諸多不便和降低可靠性,因此,絕對編碼器在多位數(shù)輸出型,一般均選用串行輸出或總線型輸出,德國生產(chǎn)的絕對型編碼器串行輸出最常用的是SSI(同步串行輸出)。
從單圈絕對式編碼器到多圈絕對式編碼器
旋轉(zhuǎn)單圈絕對式編碼器,以轉(zhuǎn)動中測量光碼盤各道刻線,以獲取唯一的編碼,當轉(zhuǎn)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,這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測量,稱為單圈絕對式編碼器。
如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360度范圍,就要用到多圈絕對式編碼器!
編碼器生產(chǎn)廠家運用鐘表齒輪機械的原理,當中心碼盤旋轉(zhuǎn)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(shù)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。
多圈編碼器另一個優(yōu)點是由于測量范圍大,實際使用往往富裕較多,這樣在安裝時不必要費勁找零點,將某一中間位置作為起始點就可以了,而大大簡化了安裝調(diào)試難度。
多圈式絕對編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯,已經(jīng)越來越多地應用于工控定位中。
絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的機械安裝使用:
絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的機械安裝有高速端安裝、低速端安裝、輔助機械裝置安裝等多種形式。
高速端安裝:安裝于動力馬達轉(zhuǎn)軸端(或齒輪連接),此方法優(yōu)點是分辨率高,由于多圈編碼器有4096圈,馬達轉(zhuǎn)動圈數(shù)在此量程范圍內(nèi),可充分用足量程而提高分辨率,缺點是運動物體通過減速齒輪后,來回程有齒輪間隙誤差,一般用于單向高精度控制定位,例如軋鋼的輥縫控制。另外編碼器直接安裝于高速端,馬達抖動須較小,不然易損壞編碼器。
低速端安裝:安裝于減速齒輪后,如卷揚鋼絲繩卷筒的軸端或最后一節(jié)減速齒輪軸端,此方法已無齒輪來回程間隙,測量較直接,精度較高,此方法一般測量長距離定位,例如各種提升設備,送料小車定位等。
輔助機械安裝:
常用的有齒輪齒條、鏈條皮帶、摩擦轉(zhuǎn)輪、收繩機械等。
作為位置檢測的傳感器,現(xiàn)在普遍采用了絕對位置測量,為保證高精度、高位數(shù)絕對型傳感器的數(shù)據(jù)傳輸可靠性,目前世界上通常采用先進的SSI(synchronous-serial interface同步串行介面)輸出技術,信號傳輸只需2根時鐘線,2根數(shù)據(jù)線,另外配以2根電源線,僅需6根線即可達到工作及傳輸?shù)哪康?
通過SSI轉(zhuǎn)換模塊,傳感器輸出的信號就可進行計算.
現(xiàn)在用SSI信號的傳感器有絕對值編碼器、光柵尺、磁致伸縮直線位移傳感器等,盡管SSI已作為國際標準,但各個品牌產(chǎn)品間,其SSI的信號還是有屑微的差別,另外,讀取SSI信號,還要做容錯、抗干擾(EMC)等技術。