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增量式编码器工作原理超详细图解

文章来源:http://www.kindele.com/  发布时间:2019/04/12    点击数:   旋转编码器是由光栅盘(又叫分度码盘)和光电检测装置(又叫接收器)组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光栅盘与电机同轴,电机旋转时,光栅盘与电机同速旋转,发光二极管垂直照射光栅盘,把光栅盘图像投射到由光敏元件构成的光电检测装置(接收器)上,光栅盘转动所产生的光变化经转换后以相应的脉冲信号的变化输出。
增量式编码器工作原理超详细图解
  编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料等。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,其热稳定性也比玻璃的差一个数量级。塑料码盘成本低廉,但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

  编码器以信号原理来分,有增量式编码器(SPC)和绝对式编码器(APC),顾名思义,绝对式编码器可以记录编码器在一个绝对坐标系上的位置,而增量式编码器可以输出编码器从预定义的起始位置发生的增量变化。增量式编码器需要使用额外的电子设备(通常是PLC、计数器或变频器)以进行脉冲计数,并将脉冲数据转换为速度或运动数据,而绝对式编码器可产生能够识别绝对位置的数字信号。综上所述,增量式编码器通常更适用于低性能的简单应用,而绝对式编码器则是更为复杂的关键应用的最佳选择--这些应用具有更高的速度和位置控制要求。输出类型取决于具体应用。

  1、增量式旋转编码器工作原理

  增量式旋转编码器通过两个光敏接收管来转化角度码盘的时序和相位关系,得到角度码盘角度位移量的增加(正方向)或减少(负方向)。

  增量式旋转编码器的工作原理如下图所示。
增量式编码器工作原理超详细图解
  图中A、B两点的间距为S2,分别对应两个光敏接收管,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。

  当角度码盘匀速转动时,可知输出波形图中的S0:S1:S2比值与实际图的S0:S1:S2比值相同,同理,当角度码盘变速转动时,输出波形图中的S0:S1:S2比值与实际图的S0:S1:S2比值仍相同。

  通过输出波形图可知每个运动周期的时序为:
增量式编码器工作原理超详细图解
  我们把当前的A、B输出值保存起来,与下一个到来的A、B输出值做比较,就可以得出角度码盘转动的方向,

  如果光栅格S0等于S1时,也就是S0和S1弧度夹角相同,且S2等于S0的1/2,那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2,再除以所用的时间,就得到此次角度码盘运动的角速度。

  S0等于S1时,且S2等于S0的1/2时,1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度,如果S0不等于S1,S2不等于S0的1/2,那么要1个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度了。

  我们常用的鼠标的滚轮也是这个原理。

  实际使用的增量式编码器输出三组方波脉冲A、B和Z(有的叫C相)相。A、B两组脉冲相位差90º,可以判断出旋转方向和旋转速度。而Z相脉冲又叫做零位脉冲(有时也叫索引脉冲),为每转一周输出一个脉冲,Z相脉冲代表零位参考位,通过零位脉冲,可获得编码器的零位参考位,专门用于基准点定位,如下图所示。
增量式编码器工作原理超详细图解
  增量式编码器转轴旋转时,有相应的脉冲输出,其计数起点可以任意设定,可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转动一圈会输出固定的脉冲数,脉冲数由编码器码盘上面的光栅的线数所决定,编码器以每旋转360度提供多少通或暗的刻线称为分辨率,也称解析分度、或称作多少线,一般在每转5~10000线,当需要提高分辩率时,可利用90度相位差的A、B两路信号进行倍频或者更换高分辩率编码器。

  增量型编码器精度取决于机械和电气的因素,这些因素有:光栅分度误差、光盘偏心、轴承偏心、电子读数装置引入的误差以及光学部分的不精确性,误差存在于任何编码器中。

  编码器的信号输出有正弦波(电流或电压)、方波(TTL、HTL)等多种形式。并且都可以用差分驱动方式,含有对称的A+/A-、B+/B-、Z+/Z-三相信号,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为0,信号稳定衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离,例如:对于TTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达150米。对于HTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达300米。
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  2、增量式编码器的分类

  1)单通道增量式编码器内部只有一对光电耦合器,只能产生一个脉冲序列。

  2)AB相编码器内部有两对光电耦合器,输出相位差为90°的两组脉冲序列。正转和反转时两路脉冲的超前、滞后关系刚好相反。由下图可知,在B相脉冲的上升沿,正转和反转时A相脉冲的电平高低刚好相反,因此使用AB相编码器,PLC可以很容易地识别出转轴旋转的方向。

  需要增加测量的精度时,可以采用4倍频方式,即分别在A、B相波形的上升沿和下降沿计数,分辨率可以提高4倍,但是被测信号的最高频率相应降低。

  3)三通道增量式编码器内部除了有双通道增量式编码器的两对光电耦合器外,在脉冲码盘的另外一个通道有1个透光段,每转1圈,输出1个脉冲,该脉冲称为Z相零位脉冲,用做系统清零信号,或坐标的原点,以减少测量的积累误差。

  3、编码器的选型

  首先根据测量要求选择编码器的类型,增量式编码器每转发出的脉冲数等于它的光栅的线数。在设计时应根据转速测量或定位的度要求,和编码器的转速,来确定编码器的线数。编码器安装在电动机轴上,或安装在减速后的某个转轴上,编码器的转速有很大的区别。还应考虑它发出的脉冲的最高频率是否在PLC的高速计数器允许的范围内。更多关于增量式编码器工作原理图解,点击增量式编码器工作原理了解更多。

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