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从步进电机到智能系统,编码器究竟如何选择?

编码器作为一种转换信号的器件,广泛应用于我们生活的四周。

在智能车比赛中,需要利用编码器检测车模的瞬时速度,实现对车模速度的闭环反馈控制,从而使得小车的控制板能够根据赛道路况的变化而执行软件给定的指令,如加速、减速、转弯等。

在天体探索中,科学家使用大型天文望远镜对恒星进行追踪时,天文望远镜要达到一定的速度控制精度,就需要选取合适的编码器。不过此时对编码器的要求非常高,比如当恒星速度为0.004%,需要分辨率为26位的编码器才能符合测速要求。

此外,还有电梯专用型编码器、机床专用编码器、伺服电机专用型编码器等等,可以说编码器无处不在。

步进电机到智能系统,编码器究竟如何选择?

从步进电机到智能系统,编码器究竟如何选择?

图片来源:OFweek维科网

那到底什么是编码器呢?

按照定义来看,编码器是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。

简单理解就是,将人类不能直接理解的信号转换成我们人类能够直接理解的信号,以便于我们对设备或器件进行支配。

编码器根据刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对值、混合式。

增量式和绝对式较为常见,但区别二者成为了困扰广大用户的难题。

因此,在这里只将增量式和绝对式做一个对比,让用户在将来选择时,能做出一个更好的选择。

首先,两者的工作原理各不相同:

1、增量式编码器的工作原理:

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号,再把这个电信号转变成计数脉冲,用脉冲的个数表示位移的大小。

拿倒水来形容,增量式编码器好比,找一个不知道大小的杯子然后往里面倒水,当倒满一次,就把杯子清空一次,然后再倒水,最后根据倒满杯子的次数来计算距离。

从构造上来看,增量式编码器由连接轴、码盘、光源和输出电路等构成。其实,编码器基本上都是这个构成,下面就不再重复了。

增量式编码器由光电发射器件和接收器件获得四组正弦波信号,分别组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差,四组相差360度(即一个周波)。将C、D信号反向,叠加在A、B两相上,从而起到增强稳定信号的作用;另外,每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

由于A、B两相前后相差90度,故可通过比较A、B两相哪个在前来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。通过零位参考位和脉冲数量来计算距离和角度等参量。

2、绝对式编码器的工作原理

绝对式编码器的码盘上有许多道刻线,用以编排编码器上的每一个位置。由于每一个位置都不一样,所以想知道位移大小,只要知道起始位置和终止位置就可以了,不用像增量式编码器一样需要一直计数。

还是拿倒水来举例,绝对式编码器好比,找一个有刻度的、更高的杯子,往里面倒水,最后根据起始和终止的刻度来计算距离。

从结构上来看,绝对式编码器光码盘上有许多道光通道刻线,每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排,这样,在编码器的任意一个位置,都可以通过读取每道刻线的通、暗,获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的二进制编码(格雷码),这也就是n位绝对编码器。

这样的编码器是由光电码盘的机械位置(起、止位置)决定的,因而不会受到停电、外界干扰的影响,这也是绝对式编码器的优良特性之一。

由于这一特性,绝对式编码器无需记忆,无需找零参考点,而且还不用一直计数,因此,编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

基于绝对式编码器的构造,它一定会面临着一个问题:计数计到最大值。

为了解决这个问题,从而出现了多圈绝对式编码器。

针对多圈绝对式编码器,常见的有以下三种设计方案:

第一种,在编码器内部,用机械齿轮耦合多个轴,用来计算总的圈数。

拿倒水举例子,也就是之前提到的那个有刻度的杯子,当这个杯子倒满了时,再找一个有刻度的、更大的杯子,把小杯子里的水倒进大杯子里,最后大小杯子相加计算距离。

第二种,就是用电子计数器和电容器,来计算总共转过的圈数。

从步进电机到智能系统,编码器究竟如何选择?

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图片来源:OFweek维科网

还是拿倒水举例子,这一次当有刻度的杯子倒满了时,把水倒出来,同时使用计数器来计量倒满的次数,最后通过计数器和杯子相加来计算距离。

第三种,在一些磁编码器中,采用韦根金线,并利用韦根效应来计数。

以上的三种方法都需要付出一定的代价,比如说第一种,因为用到了机械齿轮,所以会给编码器带来磨损,使得精度降低。

至于构成多圈绝对值编码器的方案,在这里不多过描述,感兴趣的朋友可以去查阅相关资料。

两者因为工作原理和机械构成不同,产生了两个非常大的区别:

1、通断电记忆不同

增量式编码器没有记忆,断电重启必须回到参考零位,才能找到需要的位置,每次通断电都要重新开始。

最常见的增量式编码器就是打印机扫描仪的定位,每次打印机开机时,我们都能听到噼哩啪啦的一阵响,其实这是打印机在寻找参考零点,在这之后才能工作。

而绝对式编码器有记忆,断电重启不用回到零位,即可知道目标所在的位置。这使得绝对式编码器不会在过程中受到干扰,其抗干扰特性、数据的可靠性大大提高。

2、码盘不同

由于两者的计数方式不相同,因此两者的码盘也相差极大。

码盘的不同,是绝对式编码器和增量式编码器的最大区别之一。

除以上区别外,绝对式编码器和增量式编码器还有很多细小的区别:

3、输出信号不同

增量式编码器输出的是脉冲信号,而绝对式编码器输出的是一组二进制的数值。

4、计数量受限不同

增量式编码器的转数不受限制,而绝对式编码器不能超过转数的量程。

5、应用领域不完全相同

有无断点记忆使得增量式编码器和绝对式编码器在应用领域上有很大的不同,增量式编码器更适合用于确定速度,距离或运动方向,而绝对式编码器由于其特性在工控定位领域应用越来越广泛。

6、价格不一样

由于绝对式编码器的优良特质,在价格上比增量式编码器要高出一些。

有了二者的区别,我们再来看看要选择编码器的时候,需要注意哪些要素:

是否需要断电保持

如果是需要持续性检查的场合就必须使用绝对式编码器。

需要的测量精度

相对而言,绝对式编码器的精度比增量式编码器的精度会更高一些。

分辨率

编码器的分辨率,即电机转子轴旋转一圈时编码器输出的脉冲个数。分辨率的高低是影响测速效果最为关键的因素之一。

需要的最大速度

编码器的测速方法分为三类:T法、N法和M/T法。

一般来讲,T法在低速区测速效果最好,M法在高速区优于T法。M/T法虽然实现的方法比M和T法都要高很多,但在大多数情况下,其测速精度也有优于另外两种。

需要的码盘材质

编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料。

从步进电机到智能系统,编码器究竟如何选择?

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图片来源:OFweek维科网

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,精度可能会受到影响,其热稳定性也要比玻璃的差很多。

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。

编码器的选择除了以上列举的因素外,还要很多其他的因素,具体的要基于使用的场合及环境做出选择。

最好的选择方法肯定是直接和生产厂商进行沟通,向他们传达自己的需要以及自己顾虑的问题,他们会给出很好的建议。届时,就可以根据自己的了解去考虑他们的建议了。

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