旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用

在城市中，電梯是一種十分常見(jiàn)、并且與人們?nèi)粘Ｉ蠲懿豢煞值膫魉驮O(shè)備。不過(guò)，絕大多數(shù)人在乘坐電梯時(shí)，可能很少考慮到它在面對(duì)很多人同時(shí)需求時(shí)，如何準(zhǔn)確地把不同樓層的人分送到各自所要求的目的地的。

 

這背后，旋轉(zhuǎn)編碼器就發(fā)揮了重要的作用：在電梯運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)、軟件實(shí)時(shí)計(jì)算以下信號(hào)——電梯所在層樓位置、換速點(diǎn)位置、平層點(diǎn)位置，從而進(jìn)行樓層計(jì)數(shù)、發(fā)出換速信號(hào)和平層信號(hào)。 

 

旋轉(zhuǎn)編碼器的概念

 

相信很多人對(duì)“編碼器”這個(gè)詞還比較陌生，那么它到底面目如何？是怎樣在幕后默默無(wú)聞地為我們的生活和生產(chǎn)發(fā)揮著巨大的作的呢？

 

編碼器是一種用于運(yùn)動(dòng)控制的傳感器。它利用光電、電磁、電容或電感等感應(yīng)原理，檢測(cè)物體的機(jī)械位置及其變化，并將此信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸出，作為運(yùn)動(dòng)控制的反饋，傳遞給各種運(yùn)動(dòng)控制裝置。  

旋轉(zhuǎn)編碼器屬于編碼器中較為特殊的一種，它通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出，用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速并配合PWM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)速，是工業(yè)中常用的電機(jī)定位設(shè)備，可以精確的測(cè)試電機(jī)的角位移和旋轉(zhuǎn)位置。

 

旋轉(zhuǎn)編碼器的優(yōu)點(diǎn)

 

1、信息化：除了定位，控制室還可知道其具體位置。

 

2、柔性化：定位可以在控制室柔性調(diào)整。

 

3、現(xiàn)場(chǎng)安裝的方便和安全。

 

4、長(zhǎng)壽：拳頭大小的一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，可以測(cè)量從幾個(gè)μ到幾十幾百米的距離，n個(gè)工位，只要解決一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的安全安裝問(wèn)題，可以避免諸多接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械安裝麻煩，容易被撞壞和遭高溫、水氣困擾等問(wèn)題。由于是光電碼盤，無(wú)機(jī)械損耗，只要安裝位置準(zhǔn)確，其使用壽命往往很長(zhǎng)。

 

5、多功能化：除了定位，還可以遠(yuǎn)傳當(dāng)前位置，換算運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)于變頻器，步進(jìn)電機(jī)等的應(yīng)用尤為重要。

 

6、經(jīng)濟(jì)化：對(duì)于多個(gè)控制工位，只需一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的成本，以及更主要的安裝、維護(hù)、損耗成本降低，使用壽命增長(zhǎng)，其經(jīng)濟(jì)化逐漸突顯出來(lái)。

 

綜上所述優(yōu)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器在電梯、機(jī)床、電機(jī)配套等領(lǐng)域占有非常重要的地位，并越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于各種工控場(chǎng)合。

 

旋轉(zhuǎn)編碼器的種類

 

根據(jù)檢測(cè)原理，旋轉(zhuǎn)編碼器一般可分為光電式、磁式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。

 

光式電編碼器 

光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，是目前應(yīng)用最多的傳感器。一般的光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。

 

光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔，由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)．經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)。

通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的2個(gè)通道的光碼輸出，根據(jù)雙通道光碼的狀態(tài)變化確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

 

光電編碼器一般檢測(cè)精度相對(duì)較高，但在戶外及惡劣環(huán)境下使用時(shí)需要較高的防護(hù)要求，并且不適宜在凝露的環(huán)境中使用。

 

磁式編碼器 

磁性編碼器主要部分由磁阻傳感器、磁鼓、信號(hào)處理電路組成。將磁鼓刻錄成等間距的小磁極，磁極被磁化后，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生周期分布的空間漏磁場(chǎng)。

 

磁傳感器探頭通過(guò)磁電阻效應(yīng)將變化著的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化，在外加電勢(shì)的作用下，變化的電阻值轉(zhuǎn)化成電壓的變化，經(jīng)過(guò)后續(xù)信號(hào)處理電路的處理，模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)磁旋轉(zhuǎn)編碼器的編碼功能。

磁鼓充磁的目的是使磁鼓上的一個(gè)個(gè)小磁極被磁化，這樣在磁 鼓隨著電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鼓能產(chǎn)生周期變化的空間漏磁，作用于磁電阻之上。實(shí)現(xiàn)編碼功能。

 

同光學(xué)檢測(cè)原理相比，磁電式檢測(cè)原理具有抗振動(dòng)、抗污染等特點(diǎn)，可應(yīng)用于傳統(tǒng)的光電編碼器不能適應(yīng)的領(lǐng)域。

 

電容式編碼器

 

電容式編碼器，其原理與成熟、低成本而且精密的數(shù)字游標(biāo)卡尺相同。電容編碼器采用桿狀或線狀形式，一個(gè)位于固定元件上，另一個(gè)位于活動(dòng)元件上，構(gòu)成配置為發(fā)射器/接收器對(duì)的可變電容。

一體式ASIC對(duì)這些線的變化進(jìn)行計(jì)數(shù)，并利用內(nèi)插法尋找軸的位置和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，建立標(biāo)準(zhǔn)的正交輸出，以及其它編碼器提供的換向輸出，用于控制無(wú)刷直流電機(jī)。

 

電容式編碼器的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)磨損，不受工業(yè)環(huán)境中常見(jiàn)的灰塵、污垢和油脂等污染物質(zhì)的影響，使其本質(zhì)上比光學(xué)編碼器更可靠。電容式編碼器還具有其數(shù)字控制特征帶來(lái)的性能優(yōu)勢(shì)，包括調(diào)節(jié)編碼器分辨率的能力 (脈沖/轉(zhuǎn)數(shù))，不需要更換為分辨率更高或更低的編碼器。

 

增量式編碼器 

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時(shí)序和相位關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量的增加（正方向）或減少（負(fù)方向）。在接合數(shù)字電路特別是單片機(jī)后，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測(cè)量和角速度測(cè)量較絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器更具有廉價(jià)和簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)。

 

增量式編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理 

增量式編碼器主要由光源、碼盤、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成，如圖所示：

 

碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期；檢測(cè)光柵上刻有A、B 兩組與碼盤相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過(guò)或阻擋光源和光電檢測(cè)器件之間的光線。

它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯(cuò)開(kāi)1/4 節(jié)距，使得光電檢測(cè)器件輸出的信號(hào)在相位上相差90°電度角。當(dāng)碼盤隨著被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)光柵不動(dòng)，光線透過(guò)碼盤和檢測(cè)光柵上的透過(guò)縫隙照射到光電檢測(cè)器件上，光電檢測(cè)器件就輸出兩組相位相差90°電度角的近似于正弦波的電信號(hào)。

 

增量式編碼器利用光電轉(zhuǎn)換原理將電信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)處理后，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(zhuǎn)方向。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會(huì)輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。需要提高分辯率時(shí)，可利用90度相位差的 A、B 兩路信號(hào)進(jìn)行倍頻或更換高分辯率編碼器。

Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。

 

A、B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)兩個(gè)光敏接受管，A、B兩點(diǎn)間距為 S2,角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。通過(guò)輸出波形圖可知每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的時(shí)序。

 

我們把當(dāng)前的A、B輸出值保存起來(lái)，與下一個(gè)A、B輸出值做比較，就可以輕易的得出角度碼盤的運(yùn)動(dòng)方向。如果光柵格S0等于S1時(shí)，也就是S0和S1弧度夾角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度碼盤運(yùn)動(dòng)位移角度為S0弧度夾角的1/2，除以所消耗的時(shí)間，就得到此次角度碼盤運(yùn)動(dòng)位移角速度。

S0等于S1時(shí)，且S2等于S0的1/2時(shí)，1/4個(gè)運(yùn)動(dòng)周期就可以得到運(yùn)動(dòng)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個(gè)運(yùn)動(dòng)周期才可以得到運(yùn)動(dòng)方向位和位移角度了。我們常用的鼠標(biāo)也是這個(gè)原理。 

 

絕對(duì)式編碼器

 

絕對(duì)式編碼器工作原理

 

絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，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(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。

這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。

 

絕對(duì)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(gè)位置，通過(guò)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(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

 

絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)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。

 

旋轉(zhuǎn)單圈絕對(duì)式編碼器，以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)360度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對(duì)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(cè)量，稱為單圈絕對(duì)式編碼器。

 

如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度范圍，就要用到多圈絕對(duì)式編碼器。編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍，這樣的絕對(duì)編碼器就稱為多圈式絕對(duì)編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無(wú)需記憶。

 

絕對(duì)式編碼器特點(diǎn)

 

絕對(duì)式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對(duì)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(duì)編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。

 

它的主要特點(diǎn)是：

1、可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；

2、沒(méi)有累積誤差；

3、電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的，也就是說(shuō)精度取決于位數(shù)。

 

混合式絕對(duì)值編碼器

 

混合式絕對(duì)值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。 

 

旋轉(zhuǎn)編碼器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用

旋轉(zhuǎn)編碼器的主要功能就是用于監(jiān)測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)部件，旋轉(zhuǎn)編碼器包括傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了安全要素。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)為我們的工作帶來(lái)了很大的效率，旋轉(zhuǎn)編碼器的使用為用戶在工作中提高了加工效率。

 

旋轉(zhuǎn)編碼器主要應(yīng)用于電梯、機(jī)床、電機(jī)配套、紡織、重載機(jī)械、醫(yī)療機(jī)械等OEM行業(yè)，其中電梯、機(jī)床和電機(jī)配套等屬于重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。

 

旋轉(zhuǎn)編碼器它將帶領(lǐng)編碼器產(chǎn)品生產(chǎn)行業(yè)走向市場(chǎng)領(lǐng)先地位。旋轉(zhuǎn)編碼器的出現(xiàn)對(duì)于編碼器生產(chǎn)行業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)劃時(shí)代的巨變，讓我國(guó)的編碼器產(chǎn)品種類越來(lái)越多，給我們的生活也帶來(lái)了很多改變。隨著現(xiàn)代科技的不斷革新，應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)編碼器的高新技術(shù)越來(lái)越多不斷推動(dòng)著編碼器向更高的層次發(fā)展，讓旋轉(zhuǎn)編碼器在市場(chǎng)中發(fā)揮的作用越來(lái)越明顯。