编码器应用技术

编码器应用技术编码器是将信号（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，是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可以高精度测量被测物的转角或直线位移量。1、编码器的定义：中文名称：编码器英文名称：coder;encoder定义：一种按照给定的代码产生信息表达形式的器件。2、编码器的分类：（1）根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。（2）按测量方式的分类，编码器可分为旋转编码器、直尺编码器（3）根据读出方式，编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，用电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是1”还是0”，通过1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。（4）根据其刻度方法及信号输出形式或者信号原理或者编码方式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。我们常用这种分类方法区别编码器，并且混合式的编码器也是由增量型和绝对值型的组合而成的，增量型和绝对型一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件，以下将重点讲述。编码器控制转速的原理：ΔN=ND1(测量)-ND2(理论)，N为电机转速当测出的脉冲个数与计算出的理论值有偏差时,可根据电压与脉冲个数的对应关系计算出输出给伺服系统的增量电压△U，经过D/A转换，再计算出增量脉冲个数，等下减去。当运行时间越长路线越长，离我们预制的路线偏离就多了。这时系统起动位置环，通过不断测量光电编码器每秒钟输出的脉冲个数，并与标准值PD（理想值）进行比较，计算出增量△P并将之转换成对应的D/A输出数字量，通过控制器减少输个电机的脉冲个数，在原来输出电压的基础上减去增量，迫使电机转速降下来，当测出的△P近似为零时停止调节，这样可将电机转速始终控制在允许的范围内。编码器的常规工作电压有以下几种：5V、12V、24V、5-24V（通用型）、5-30V编码器常规防护性能：防油、防尘、抗震型。弹性联接器：编码器轴与用户轴联接时，存在同轴误差，严重时将损坏编码器。要求采用弹性联接器（编码器厂家提供选件），解决偏心问题，一般可以做到允许扭矩1N.m,不同轴度0.2mm，轴向偏角1.5度。弹性联轴器常用规格为：编码器端孔径(mm)用户端孔径(mm)Φ4、5、6、8、10、15Φ4、5、6、6.35、8、10、153、增量式编码器增量式编码器（其中增量脉冲编码器简称SPC）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。顺时针运动逆时针运动AB11010010AB11100001增量型编码器(旋转型)工作原理：由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号，由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，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，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，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。分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5-10000线。基本技术规格（1）分辨率：用编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期来表示的，即脉冲数/转（PPR），码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。倍频提高分辨率。（2）精度：度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。精度通常用角度、角分、角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。（3）输出信号的稳定性：在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。（4）响应频率：编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。当编码器高速旋转时，如果其分辨率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。如果光电检测器件和电子线路元器件的工作速度与之不能相适应，就有可能使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。这样输出信号就不能准确反映轴的位置信息。所以，每一种编码器在其分辨率一定的情况下，它的最高转速也是一定的，即它的响应频率是受限制的。编码器的最大响应频率、分辨率和最高转速之间的关系如公式：（5）信号输出形式：有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,集电极开路OpenCollector（PNP、NPN）,推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL（ToTEMPole）也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。信号经过放大、整形得到了正弦波或矩形波。正弦波：基本消除了定位停止时的振荡现象，并且容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。矩形波：容易进行数字处理，多用。信号连接：编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。A、A-，B、B-，Z、Z-连接，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，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离,TTL信号传输距离可达150米,HTL信号传输距离可达300米。增量型编码器的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。增量型编码器的缺点是存在零点累计误差，无法输出轴转动的绝对位置信息，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用绝对型编码器可以解决。增量型编码器的一般应用:测速，测转动方向，测移动角度、距离(相对)。4、绝对式编码器绝对式编码器（其中绝对脉冲编码器简称APC）的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。旋转单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对值编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。绝对型旋转编码器的机械安装形式：1高速端安装：安装于动力马达转轴端（或齿轮连接），此方法优点是分辨率高，由于多圈编码器有4096圈，马达转动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向高精度控制定位，例如轧钢的辊缝控制。另外编码器直接安装于高速端，马达抖动须较小，不然易损坏编码器。2低速端安装：安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端，此方法已无齿轮来回程间隙，测量较直接，精度较高，此方法一般测量长距离定位，例如各种提升设备，送料小车定位等。3辅助机械安装：常用的有齿轮齿条、链条皮带、摩擦转轮、收绳机械等。绝对型编码器（旋转型）：绝对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，在编码器的每一个位置，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2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。绝对值编码器的信号输出：绝对值编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出1、并行输出：绝对值编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。但是并行输出有如下问题：1必须是格雷码，因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。2所有接口必须确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判断。3传输距离不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。4对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。2、串行SSI输出：串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。由于绝对值编码器好的厂家都是在德国，所以串行输出大部分是与德国的西门子配套的，如SSI同步串行输出（RS422模式，两根数据线DATA、两根时钟线CLOCK)。T=0.9—11us每个脉冲周期n为编码器总位数，t10.45us每个脉冲半周期，t2≤0.4us数据输出延迟时间，t3=12—35us数据恢复（熄灭）时间串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和可靠性就大大提高了。一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。3、现场总线型输出现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号线连接在一起，通过设定地址，用通讯方式传输信号，信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号。总线型编码器信号遵循RS485的物理格式，其信号的编排方式称为通讯规约，目前全世界有多个通讯规约，各有优点，还未统一，编码器常用的通讯规约有如下几种：PROFIBUS-DP、CAN、DeviceNet、Interbus等。总线型编码器可以节省连接线缆、接收设备接口，传输距离远，在多个编码器集中控制的情况下还可以大大节省成本。4、变送一体型输出我公司提供的GPMV0814、GPMV1016绝对编码器，其信号已经在编码器内换算后直接变送输出，其有模拟量4—20mA输出、RS485数字输出、14位并行输出。连接绝对编码器的电气二次设备：连接绝对值编码器的设备可以是可编程控制器PLC、上位机，也可以是专用显示信号转换仪表，由仪表再输出信号给PLC或上位机。1．直接进入PLC或上位机：编码器如果是并行输出的，可以直接连接PLC或上位机的输入输出接点I/O，其信号数学格式应该是格雷码。编码器有多少位就要占用PLC的多少位接点，如果是24伏推挽式输出，高电平有效为1，低电平为0；如果是集电极开路NPN输出，则连接的接点也必须是NPN型的，其低电平有效，低电平为1。2．编码器如果是串行输出的，由于通讯协议的限制，后接电气设备必须有对应的接口。3．编码器如是总线型输出，接受设备需配专用的总线模块。但是，如选择总线型输出编码器