旋转编码器问答 点击：33024 | 回复：219
发表于：2005-10-07 10:11:00
楼主
.※从接近开关、光电开关到旋转编码器：
工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。可是，随着工控的不断发展，又有了新的要求，这样，选用旋转编码器的应用优点就突出了：
信息化：除了定位，控制室还可知道其具体位置；
柔性化：定位可以在控制室柔性调整；
现场安装的方便和安全、长寿：拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个µ到几十、几百米的距离，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装问题，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。
多功能化：除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。
经济化：对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，以及更主要的安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。
如上所述优点，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。
5.※关于电源供应及编码器和PLC连接：
一般编码器的工作电源有三种：5Vdc、5-13 Vdc或11-26Vdc。如果你买的编码器用的是11-26Vdc的，就可以用PLC的24V电源，需注意的是：
1． 编码器的耗电流，在PLC的电源功率范围内。
2． 编码器如是并行输出，连接PLC的I/O点，需了解编码器的信号电平是推拉式（或称推挽式）输出还是集电极开路输出，如是集电极开路输出的，有N型和P型两种，需与PLC的I/O极性相同。如是推拉式输出则连接没有什么问题。
3． 编码器如是驱动器输出，一般信号电平是5V的，连接的时候要小心，不要让24V的电源电平串入5V的信号接线中去而损坏编码器的信号端。（我公司也可以做宽电压驱动器输出（5-30 Vdc），有此要求定货时要注明）
6.※在很多的情况之下是编码器并没有坏，而只是干扰的原因，造成波型不好，导致计数不准。请教如何进行判断？谢谢！
编码器属精密元件，这主要因为编码器周围干扰比较严重，比如：是否有大型电动机、电焊机频繁起动造成干扰，是否和动力线同一管道传输等。
选择什么样的输出对抗干扰也很重要，一般输出带反向信号的抗干扰要好一些，即A+~A-,B+~B-,Z+~Z-，其特征是加上电源8根线，而不是5根线(共零)。带反向信号的在电缆中的传输是对称的，受干扰小，在接受设备中也可以再增加判断（例如接受设备的信号利用A、B信号90°相位差，读到电平10、11、01、00四种状态时，计为一有效脉冲，此方案可有效提高系统抗干扰性能（计数准确））。
就是编码器也有好坏，其码盘\电子芯片\内部电路\信号输出的差别很大，要不然怎么一个1000线的增量型编码器会从300多元到3000多元差别那么大呢?
①排除(搬离、关闭、隔离)干扰源，②判断是否为机械间隙累计误差，③判断是否为控制系统和编码器的电路接口不匹配（编码器选型错误）；①②③方法偿试后故障现象排除，则可初步判断，若未排除须进一步分析。
判断是否为编码器自身故障的简单方法是排除法。现在我公司编码器已大规模生产，技术生产已成熟运用，产品故障率控制在千分之几。排除法的具体方法是：用一台相同型号的编码器替换上去，如果故障现象相同，可基本排除是编码器故障问题，因为两台编码器同时有故障的小概率事件发生可能很小，可以看作为0。假如换一台相同型号编码器上去，故障现象立刻排除，则可基本判定是编码器故障。
7.※请教一下，何为长线驱动？普通型编码器能否远距离传送？
答：长线驱动也称差分长线驱动，5V，TTL的正负波形对称形式，由于其正负电流方向相反，对外电磁场抵消，故抗干扰能力较强。普通型编码器一般传输距离是100米，如果是24V HTL型且有对称负信号的，传输距离300-400米。
8.※有网友问：能否简单介绍旋转编码器检测直线位移的方法？
答： 1，使用“弹性连轴器”将旋转编码器与驱动直线位移的动力装置的主轴直接联轴。
2，使用小型齿轮（直齿，伞齿或蜗轮蜗杆）箱与动力装置联轴。
3，使用在直齿条上转动的齿轮来传递直线位移信息。
4，在传动链条的链轮上获得直线位移信息。
5，在同步带轮的同步带上获得直线位移信息。
6，使用安装有磁性滚轮的旋转编码器在直线位移的平整钢铁材料表面获得位移信息（避免滑差）。
7，使用类似“钢皮尺”的“可回缩钢丝总成”连接旋转编码器来探测直线位移信息（数据处理中须克服叠层卷绕误差）。
8，类似7，使用带小型力矩电机的“可回缩钢丝总成”连接旋转编码器来探测直线位移信息（目前德国有类似产品，结构复杂，几乎无叠层卷绕误差）。
9.※求教：增量光栅Z信号可否作零点？圆光栅编码器如何选用？
无论直线光栅还是轴编码器其Z信号的均可达到同A\B信号相同的精确度，只不过轴编码器是一圈一个，而直线光栅是每隔一定距离一个，用这个信号可达到很高的重复精度。可先用普通的接近开关初定位，然后找最为接近的Z信号(每次同方向找)，装的时候不要望忘了将其相位调的和光栅相位一致，否则不准。
根据你的细分精度要求和分辩率要求选用。精度高自然要选用每周线纹高的，精度不高，就没必要选用高线纹数的圆光栅编码器了。
10.※请教两个问题：增量型编码器和绝对型编码器有何区别？做一个伺服系统时怎么选择呢？
常用的为增量型编码器，如果对位置、零位有严格要求用绝对型编码器。伺服系统要具体分析，看应用场合。
测速度用常用增量型编码器，可无限累加测量；测位置用绝对型编码器，位置唯一性（单圈或多圈），最终看应用场合，看要实现的目的和要求。
发表于：2007-01-21 19:12:00
131楼
转：容栅/编码器原理及应用-摘要：以旋转容栅编码器为例，简述容栅传感器的测量原理及其结构，分析容栅自身以及容栅芯片的特点，通过机械机构设计和容栅编码器后续电路设计，提高其工作可靠性，并应用于实际工程中。
关键词：容栅传感器；电容传感器；鉴相；编码器
一、引言
电容传感器具有测量分辨力和测量准确度高等特点，在很多场合被作为高精测量仪器使用，但因其自身缺陷，只能使用在微小位移的测量中，无法满足大位移测量的要求。80年代容栅传感器的出现，彻底的改变了这种情况。借鉴了光栅的结构形式，工程师把电容做成栅型，大大提高了测量的精度和范围，实现了大位移高精度测量。
容栅传感器相对于其他类型的传感器有许多突出的优点[2]：
1、量程大、分辨率高。在线位移测量时，分辨率为2mm时，量程可达到20m，在角位移测量时，分辨率为0.1°时，量程为4096圈。其测量速度也比较高，测量线速度可达到1.5m/s。
2、容栅测量属非接触式测量，因此容栅传感器具有非接触传感器的优点，诸如测量时摩擦阻力可以减到最小，不会因为测量部件的表面磨损而导致测量精度下降。
3、结构简单。容栅传感器的敏感元件主要由动栅和静栅组成，信号线可以全部从静栅上引出，作为运动部件的动栅可以没有引线，为传感器的设计带来很大的方便。
4、配用专用集成电路的容栅传感器是一种数字传感器，和计算机的接口方便，便于长距离传送信号，几乎无数据传输误差。数据更新速率可以达到每秒50次。
5、功耗极小。正常工作电流小于10mA，传感器敏感元件可以长期工作，一粒钮扣电池可以连续工作1年以上。利用这个特点，可以设计出准绝对式的位移传感器。
6、在价格上有很大优势，其性能价格比远高于同类传感器。
容栅传感器有最主要的问题是稳定性和可靠性，环境潮湿和外界电磁干扰的影响尤为显著，其次作为准绝对式传感器在长期断电工作时，需要定期更换电池，所以难于作为传感器用于长期自动测量。
容栅编码器是以脉冲数字量来表示容栅传感器敏感元件间相对位置信息，本文研究的容栅旋转编码器将容栅全部的结构密封在金属壳内，大大提高了容栅传感器的电磁兼容性和抗环境污染能力，为容栅原理用于自动测量奠定了基础。
二、容栅旋转编码器的结构和测量原理
1、容栅旋转编码器的结构组成
容栅旋转编码器分动栅和静栅二部分，都为精密加工的印刷电路板。动栅上有发射极和接收极，在发射极和接收极之间有屏蔽极，避免发射极到接收极之间的直接电容耦合。静栅上有反射极和屏蔽极，反射极与屏蔽极的宽度一致，屏蔽极需可靠接地。动栅上共有48个发射电极，发射极的极距按实际要求可变，每4个发射极对应于一个反射极。动栅上每8个发射电极为一组，共6组。对每组发射极进行编号A到H同编号的发射极电路上相连。运行时，两块印刷电路板的栅面平行同轴相对，间距在0.1mm左右。图1所示的是旋转式容栅编码器的结构图。
2、容栅传感器测量原理
在动栅栅面编号为A～H发射电极上分别加上8个等幅、同频、相位依次相差p/4的方波激励电压信号 （i=0，1，2，…，7）。每组编号相同的发射极都加以相同的激励信号，经过两对电容耦合在接收极上形成容栅电压信号 。由于各组中序号相同的发射极和反射极的相对位置相同，所以可以将48个发射极和对应的反射极板间的电容简化为 到 的8个电容器。Cf代表反射极与接收极相互耦合之后形成的电容器，由于接收极在动栅移动方向上的长度恰好为一组反射极长度的整数倍，又由于反射极是周期性排列的，所以接收极和反射极的相互覆盖面积不随位移变化，即Cf为一个常数。
容栅工作时，施加发射电极上的周期激励信号，通过发射极与反射极、反射极与接收极两对电容耦合，在接收极上形成合成信号。传感器输入、输出信号与各电极之间电容耦合关系。3、容栅旋转编码器的数据传递
容栅旋转编码器的核心部件是容栅集成芯片，它负责把传感器的位置信息转化为数字信号输出。容栅芯片有4根引出线，分别为+1.5V、CLK、DATA和0V线。其中+1.5V和0V线为电源线和地线，CLK和DATA线为同步时钟信号线和数据线。
CLK信号为同步时钟信号，在一次数据传送中，开始为54ms的高电平，表示数据即将开始传送；接下来是两段各有24个宽度为13ms的窄脉冲，前后两段窄脉冲之间有110ms的高电平作为间隔；最后是75ms的高电平，以示数据传送结束。具体波形如图5。容栅旋转编码器的数据传送是周期性的，在慢速状态下，周期间隔为250ms，在快速状态时，为20ms。
DATA信号为数据信号，它包含了编码器的位移信息。在数据采集时，容栅芯片在CLK信号窄脉冲的下降沿对DATA信号进行采样，先后采样两组24位数据。一组为绝对数据，另一组为相对数据。绝对数的初值只受上电影响，相对数据初值由数据清零信号控制。
三、容栅旋转编码器的关键技术
容栅编码器有功耗低、性价比高等优点。但其工作容易受到外界的干扰，影响工作稳定性。所以在设计容栅编码器时，需要一些特殊措施来抵抗干扰，提高稳定性。
环境对容栅编码器的工作影响很大，特别是湿度。电容传感器主要是通过两极板之间的电容量变化来反映相应的被测量变化。在大湿度的情况下，会改变两极板间的介电常数影响电容值，同时也使容栅电路的漏电流明显增大，使容栅编码器工作的稳定性将受到削弱。因此，建立一个良好的容栅工作小环境，使其免受外界环境的影响，对其能否可靠工作非常重要。
容栅编码器是靠电容极板传递信号，因此保证极板之间的电场稳定是容栅位移信号能够正常无误传递的前提。由于容栅编码器经常用于工业环境，其现场工作环境很差，常伴有大功率的电磁干扰，将容栅核心部件全部密封在金属壳内，而非像一般的容栅数显产品把静栅暴露于环境中，这样既有效的进行了电磁屏蔽，同时隔绝了外界水汽、油污，使编码器能在一个相对良好的环境中工作。
容栅的动栅和静栅的屏蔽极都要有效的接地，起隔离屏蔽和消除寄生电容的作用。实际中，动栅和静栅相互独立，没有任何连线，这就需要通过外界搭桥，一般情况下，编码器的外壳就起这样的作用。动栅上集成的容栅芯片的正极通常和动栅屏蔽极相连，这就有可能由于后续电路接地引起电池短路。因此在进行电路设计时，必须考虑这个特点，在设计上采取针对性措施，对电路进行隔离，来解决因后续电路接地带来的电池短路问题。
容栅编码器是一种准绝对式传感器。在平时全靠内部电池维持其正常工作，因此，电池问题不容忽视。经过实际操作证明在电池电压降低时，将产生许多不可预料的情况。采用超级电容和电池并联工作，可以有效的降低电池的功耗，延长容栅编码器的工作时间。同时，通过设计电路实测电池电压报警，尽量避免由于电池电量不足影响编码器正常工作。
除了以上几点，还需要其他的一些软件和硬件上的辅助措施，才能保证容栅编码器正常稳定的工作。
四、容栅旋转编码器的应用
容栅旋转编码器具有测量分辨率高、量程大，可以应用于大位移（角位移）测量。表1列出了不同节距数时，容栅旋转编码器的分辨率可达到的精度和测量量程。
利用上述性能，可作为多圈角位移的高精度测量。如丝杠推进位移的高精度控制，借助齿条、链条、线束传动，可以将角位移转换为线位移。用容栅编码器作大位移测量，如长行程油缸的位移，堆取料机在轨道上定位等，笔者曾将容栅编码器用于超大型构件水平推进的同步控制，取得良好效果。
容栅旋转编码器类似于绝对式编码器，其机电转换部件由内置电池供电，其信号发送部件由外接电源供电。当外接电源断开时，虽然不输出数据，但传感器还是在内部电池支持下工作，对角位移的变化做出反应，在任何时间都能取得正确数据。因为要有内部电池支持，这类传感器被称作准绝对式传感器。由于传感器耗电极小（<10mA）更换一粒钮扣电池可工作一年以上。与光电绝对式多圈编码器相比，由于省去了机械记忆部件，其构件要简单得多，因而造价也会低得多。
容栅编码器采用RS-422通讯接口，便于计算机接口，也便于进行长距离的信号传递。每个传感器可设置其ID编码号，便于实现多个传感器信号的网络传递。容栅编码器数据测量周期最短为20ms，数据长度为4字节，可以和一般的串行通讯速率相匹配。
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