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編碼器的分類及其工作原理


 

編碼器是把角度位移或直線位移轉換成電子信號的一種裝置。前者成為碼盤,後者稱碼尺.按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種,接觸式採用電刷輸出,電刷接觸導電區或絕緣區來表示代碼的狀態是“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,採用光敏元件時以透光區和不透光區來表示代碼的狀態是“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換成週期性的電信號,再把這個電信號轉變成計數脈衝,用脈衝的個數表示位移的大小。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、光電開關到旋轉編碼器,工業控制中的定位,接近開關、光電開關的應用已經相當成熟了,而且很好用。可是,隨著工控的不斷發展,又有了新的要求,這樣,選用旋轉編碼器的應用優點就突出了:

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整;

現場安裝的方便和安全、長壽:拳頭大小的一個旋轉編碼器,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、光電開關在現場機械安裝麻煩,容易被撞壞和遭高溫、水氣困擾等問題。由於是光電碼盤,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,對於變頻器,步進電機等的應用尤為重要。

經濟化:對於多個控制工位元,只需一個旋轉編碼器的成本,以及更主要的安裝、維護、損耗成本降低,使用壽命增長,其經濟化逐漸突顯出來。如上所述優點,旋轉編碼器已經越來越廣泛地被應用於各種工控場合。旋轉增量式編碼器以轉動時輸出脈衝,通過計數設備來知道其位置,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,當停電後,編碼器不能有任何的移動,當來電工作時,編碼器輸出脈衝過程中,也不能有干擾而丟失脈衝,不然,計數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,只有錯誤的生產結果出現後才能知道。

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,印表機掃描器的定位就是用的增量式編碼器原理,每次開機,我們都能聽到劈哩啪啦的一陣響,它在找參考零點,然後才工作。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(開機後就要知道準確位置),於是就有了絕對編碼器的出現。

絕對型旋轉光電編碼器,因其每一個位置絕對唯一、抗干擾、無需掉電記憶,已經越來越廣泛地應用於各種工業系統中的角度、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明、暗,獲得一組從2 的零次方到2 n-1 次方的唯一的2 進制編碼(格雷碼),這就稱為n 位元絕對編碼器。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,什麼時候需要知道位置,什麼時候就去讀取它的位置。這樣,編碼器的抗干擾特性、資料的可靠性大大提高了。

由於絕對編碼器在定位方面明顯地優於增量式編碼器,已經越來越多地應用於工控定位中。絕對型編碼器因其高精度,輸出位數較多,如仍用並行輸出,其每一位元輸出信號必須確保連接很好,對於較複雜工況還要隔離,連接電纜芯數多,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輸出型,一般均選用串行輸出或匯流排型輸出

旋轉單圈絕對式編碼器,以轉動中測量光碼盤各道刻線,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,這樣的編碼器只能用於旋轉範圍360 度以內的測量,稱為單圈絕對式編碼器。如果要測量旋轉超過360 度範圍,就要用到多圈絕對式編碼器。

編碼器生產廠家運用鐘錶齒輪機械的原理,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範圍,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複,而無需記憶。

多圈編碼器另一個優點是由於測量範圍大,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試難度。多圈式絕對編碼器長度定位方面的優勢明顯,已經越來越多地應用於工控定位中。

絕對型旋轉編碼器的機械安裝使用:絕對型旋轉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:安裝於動力馬達轉軸端(或齒輪連接),此方法優點是解析度高,由於多圈編碼器有4096 圈,馬達轉動圈數在此量程範圍內,可充分用足量程而提高解析度,缺點是運動物體通過減速齒輪後,來回程有齒輪間隙誤差,一般用於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於高速端,馬達抖動須較小,不然易損壞編碼器。

低速端安裝:安裝於減速齒輪後,如卷揚鋼絲繩捲筒的軸端或最後一節減速齒輪軸端,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、摩擦轉輪、收繩機械等。

光學編碼器功能特點:

採用反射式感應技術

表面貼裝無引腳封裝

提供兩通道類比信號輸出

計數頻率:20 KHz

采單一5.0V 電源運作

工作溫度:-10 70°C

編碼解析度:180 LPI

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