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步进电机越来越智能化,编码器应怎么选?


编码器作为转换信号的设备,广泛应用于我们生活的周围。
在智能汽车比赛中,必须利用编码器检测汽车模型的瞬时速度,实现汽车模型速度的闭环反馈控制,汽车控制板可以根据路况的变化执行软件的指令,如加速、减速、转弯等。
在天体探索中,当科学家使用大型天文望远镜跟踪恒星时,天文望远镜需要选择合适的编码器来达到一定的速度控制精度。但是,此时对编码器的要求非常高。例如,恒星速度为0.004%时,需要分辨率为26位的编码器来满足速度测量要求。
另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,可以说编码器无处不在。
那到底什么是编码器呢?
根据定义,编码器是将信号(例如比特流)或数据编制、转换为可通信、传输和存储的信号形式的设备。
简单的理解是将人类无法直接理解的信号转换为我们人类可以直接理解的信号,使设备和设备能够支配。
编码器按刻度方法和信号输出形式分为增量式、绝对值、混合式。
增量式和绝对式很常见,但差异成为困扰很多用户的难题。
因此,在这里比较增量式和绝对式,使用户在将来选择时能够做出更好的选择。
首先,两者的工作原理各不相同
1.增量编码器的工作原理:
增量式编码器是将位移转换周期性的电信号,将该电信号转换为计数脉冲,用脉冲的个数表示位移的大小。
用倒水来表现,增量式编码器就像找一个不知道大小的杯子倒水一样,倒满一次,把杯子清空一次,倒水,最后按倒满杯子的次数计算距离。
从结构上看,增量式编码器由连接轴、编码盘、光源和输出电路等组成。其实,编码器基本上是这个构成,以下不再重复。
增量式编码器通过光电发射器和接收器获得四组正弦波信号,分别组合成a、b、c、d,各正弦波差90度相位差,四组差360度(即一周波)。将c、d信号反向重叠在a、b两相中,发挥增强稳定信号的作用,另外,每次输出z相脉冲代表零位参考位置。
因为a、b两相前后有90度的差异,所以可以通过比较a、b两相来判断代码器的正转和反转。
通过零位脉冲,可以获得编码器零位参考位。通过零位参考位和脉冲数算距离和角度等参考量。
2.绝对编码器的工作原理。
绝对代码器的代码盘上有很多刻线,用于编排代码器的各个位置。每个位置都不一样,所以想要知道位移的大小,只要知道起始位置和终止位置就可以了,不需要像增量码器那样一直计数。
还是以倒水为例,绝对的代码器,寻找刻度高的杯子,往里面倒水,最后根据开始和结束的刻度计算距离。
从结构上看,绝对码头的光盘上有很多光线通道刻线,每个刻线依次排列在2线、4线、8线、16线……这样,码头的任何位置都可以读取每个刻线的通、暗,从2的零次方到2的n-1次方的唯一二进制代码(格雷代码)
这种编码器由光电编码盘的机械位置(起止位置)决定,不受停电、外部干扰的影响,也是绝对编码器的优良特性之一。
由于该特性,绝对编码器不需要记忆,也不需要找零参考点,也不需要一直计数,因此编码器的抗干扰特性、数据可靠性大大提高。
基于绝对编码器的结构,它必须面临计算到最大值的问题。
为了解决这个问题,出现了多次绝对编码器。
对于多圈绝对代码器,常见的设计方案如下:
第一,在编码器内部,用机械齿轮结合多个轴,计算总圈数。
举个倒水的例子,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,最后把大小杯子算出距离。
第二,用电子计数器和电容器计算总旋转的圈数。
还是拿倒水举个例子,这次有刻度的杯子满了,倒水的同时,用计数器测量满的次数,最后用计数器和杯子计算距离。
第三,在一些磁编码器中,采用韦根金线,利用韦根效应计算。
以上三种方法都需要一定的成本。例如,第一,因为使用了机械齿轮,所以会磨损代码器,降低精度。
关于构成多圈绝对值代码器的方案,在这里不怎么说明,有兴趣的朋友可以查阅相关资料。
两者因工作原理和机械构成而异,产生了两个非常大的不同
1、断电记忆不同。
增量式编码器没有记忆,断电重新启动必须返回参考零位置,找到必要的位置,每次断电都必须重新启动。
最常见的增量式编码器是打印机扫描仪的定位,每次打印机接通电源,我们都能听到啪嗒啪嗒的声音,其实这是打印机寻找参考点,之后才能工作。
绝对的代码器有记忆,切断电源重启不返回零位置,就能知道目标的位置。这大大提高了绝对编码器在过程中不受干扰、抗干扰特性、数据可靠性。
2、代码盘不同。
两者的计数方式不同,两者的代码盘也大不相同。
码盘的区别是绝对码头和增量码头的最大区别之一。
除以上差异外,绝对编码器和增量编码器还有许多细节差异:
1.输出信号不同。
增量式编码器输出的是脉冲信号,绝对式编码器输出的是一组二进制的数值。
2.计数量有限。
增量式编码器的转数不受限制,绝对式编码器不能超过转数的量程。
3.应用领域不完全相同。
有无断点记忆,增量式编码器和绝对式编码器在应用领域有很大差异,增量式编码器适用于确定速度、距离和运动方向,绝对式编码器因其特性在工程控制定位领域得到广泛应用。
4、价格不同。
由于绝对编码器的优良特质,价格比增量编码器高。
有了两者的区别,让我们来看看选择编码器时应该注意哪些因素:
1.是否需要停电维持。
如果需要持续检查,必须使用绝对编码器。
2.必要的测量精度。
相对而言,绝对编码器的精度高于增量编码器。
3.分辨率。
代码器的分辨率,即电机转子轴旋转一圈时代码器输出的脉冲数。分辨率的高低是影响速度测量效果的最重要因素之一。
4、所需的最大速度。
编码器的速度测量方法分为t法、n法和M/T法3种。
一般来说,t法在低速区测速效果最好,m法在高速区比t法好。M/T法实现的方法比M和T法高得多,但在很多情况下,其速度精度也优于其他两种。
4、必要的代码盘材质。
码盘的材料有玻璃、金属和塑料。
玻璃码盘是在玻璃上沉积较薄的刻线,其热稳定性好,精度高。
金属代码盘直接通过或不通过刻线,不易破损,但金属有一定厚度,精度可能受到影响,热稳定性也比玻璃差得多。
塑料码盘经济,成本低,但精度、热稳定性、寿命差。
编码器的选择除了以上列举的因素外,还有很多其他因素,具体要根据使用场合和环境进行选择。
最好的选择方法一定是直接和制造商取得联系,和他取得联系。


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