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工控产品你如何选型
一. 基本概念
工控产品项目繁多, 单一产品就有众多规格, 同一规格(书面)不同厂家就有不同编号, 同一编号却是不同的产品, 还有更多你看不懂的编号. 经常碰到买的人不懂,卖的人也不懂, 结果买到的产品不是解决问题,而是制造更大的问题. 另外采购与技术彼此的立场是对立, 技术要好的产品, 但采购想要以最低的价格取得, 所以经常买不到所要的产品, 甚至还洋洋自得买了垃圾回家. 真正问题是不懂选型, 选错型号就像高尔夫选手选错杆, 也就得不到好名次.
前一阵子被好友请去吃饭, 这顿饭的代价, 就是在帮他们员工和供货商(他们在业界还是小有名气)上课, 电缆的选型(此部分会在后面陆续介绍), 老大算是数控界达人规模不小, 还是有他看不到的地方.
要开发一台印刷机(机械结构设计已完成), 那这样的电控系统的架构怎选用, 首先得先确认这印刷机的标准规格、 性能规格、印刷方式、 印刷速度、 印刷精度、 等重要性能功能, 操作模式等指针确认, 才来决定是要用运动卡呢? 还是PLC? 电机是要用 DD 或伺服还是歩进, 也就进入本话题, 怎么选控制器, 怎么选电机, 怎么选编码器, 怎么选电缆, 甚至怎么选连接器, 会用不是大学问, 会选才是技术.
当你打开产品的彩页, 翻到产品的规格, 可以看到两个规格, 一个是电器规格, 另一个是环境规格. 往往多数人会很在意前者而忽略了后者, 然而做环境规格是需要花很多时间、精力、并且需购买很多的检验仪器, 所以很多厂家直接copy国外规格, 甚至故意不写,反正看不懂的人多的是,又何必花这些钱投入,这些不会创造利润能省则省, 碰到高手询问, 那就到对方厂内试试看, 可以就用不可以就搬回来.这种做法代表这企业是无技术能力 因为他缺乏具有公信力的验证能力 也许他的规模也不小 但规模跟能力是两码事
另外就是电器规格, 当然这些电器规格也会有上述的问题. 我们曾经问过日本人有关线缆的电阻, 为什么彩页标注是一公里, 怎么测? 日本人包一拿就离开(呵呵 他的线很贵的 特殊线 240 RMB/ m). 基本的电器规格这应该要看的懂, 可是工控产品太多了, 真的要看懂 需花很多时间学习, 另外要会设计治具来做实验,来验证其电器规格, 这较费事. 最快的方法还是学会看规格,并透过规格书去判断真伪, 如上面日本人的例子, 线缆用一公里怎量?! 所以有两种可能, 这值是假的, 或者是用算的, 他见对手相当内行, 他还待的住吗?
一般我们在彩页仅能看到基本的规格, 但需要的一些性能规格 或其他特殊规格, 多数记在技术手册内, 像控制器、伺服电机、变频器. 另外工控领域有很多的专业名词的定义是否搞清楚? 如说速率 大家想到的单位距离在单位时间完成,那加速度呢 ? 讲扭力大家都清楚, 那惯量呢?
另外电机的外观有的形状是瘦高,有的是矮胖,同样是电机为何有差异, 同功率的电机为何有不同的尺寸? 同一颗电机搭配不同的驱动器为何其功率会不同?
二. 编码器选型
A. 编码器的功能，做为速度及位置的回馈。
B. 编码器的种类
B1.以讯号输出方式可分成脉冲、弦波、 通讯格式
B2.以输出命令可分成增量式、绝对式、 绝对式(编码)
B3.以工作原理来分有
光电(旋转编码器 光学尺)、
磁感式编码器(齿轮)、
磁环式编码器(磁环 磁性尺)、
磁编码器(霍尔组件 分割磁力线)、
线圈式(旋转变压器 resolver)。
B4 以机械结构来分有
轴心式、
中空式、
惯穿式
C. 编码器的规格：上述B编码器的规格除了旋变之外， 都符合B1 B2 之通用规格，这样我们在选型配套上才会有标准。
C1.输入电压：多数高频的编码器(带宽100Khz以上)，都是5V(输入电压的稳定性要求较高)，也有给5—30V。
C2.输出讯号：现今都使用电压式(早期还有电流式 现已经很少)， 通用的输出电压在5V(实际上3V已上系统就可正常工作)，5V方波TTL 、24V方波HTL，另外弦波的输出电压1Vpp。
C3。讯号种类： A、 B、 Z A相讯号、 B相讯号 、Z相讯号(原点讯号 I)，长线驱动多/A 、/B 、/Z 抗干扰效果较佳，为何抗干扰效果较佳呢?
C4.1编码器的分辨率(分辨率)： (分辨率)ppr、 cpr 编码器转一圈输出多少个脉冲数,方波可再4倍频, 旋波可任意倍频. 高分辨率的伺服驱动多数讲的是2的幂次方, 也就是多少位,这已经过驱动器内部运算指令转换成奇特殊码(code)之绝对命令, 并非是方波, 另外绝对式编码器也是类似此特殊码输出,期分辨率也使用多少位来表示(17位)。
C4.2 光学尺一般不用分辨率,而是用步距,也就是移动一个脉冲的距离为例如 1um(多数经过4倍频)。
图一 方波4倍频
图二 弦波4倍频
C4.3 编码器如何去判断速度、位置，一般线路板内有多刻的石英震荡器 这就是此系统的时钟，所以在多少时间计数器所计数的脉冲数除以分辨率，所得的就是转速。再来如何判断正转、反转，我们来看图一，有A相讯号及B相讯号，从图一可以看到(由左往右看)A超前B(90度)，那这就是正转，反过来B超前A那就是反转。 哪个是A 哪个是B，请看编码器输出脚位定义,只要按接线按定义来接那就对的,那位置怎样检测 还记得分辨率的定义吗,编码器转一圈所输出的脉冲数,假如此编码器其分辨率为360PPR,那转半圈也就输出180个脉冲,还有原点讯号,就能告诉系统总供转了多少圈,多少个脉冲,换算每个脉冲当量,那位置就出来了.
C5.1带宽输出 任何电器都有其工作频率这就伴随这讯号输出的快慢 这带宽都是个固定常数 所以低速高分辨率 高速低分辨率 就是受限这带宽 以下这个公式请各位务必记下来 编码器输出的带宽= 编码器的分辨率X伺服电机的转速 X 1/60 X 1/1000 此公式是针对增量式的编码器 我簡單的記下一組數據可提供大家參考 . 170KHz等於編碼器分辨率1024PPr 在10,000rpm
C5.2 进口光电式编码器 多数标准带宽为100Khz 可选配到200KHz 国内光电编码器多数为200KHz
C5.3 磁感式编码器(我司 IGS产品)他就是真正高频的传感器他的输出带宽高达600KHz 可选配到2MHz 进口的也多在200KHz 在参考选型的案例 会以此来做说明
还有许多编码器依每家的规格不同有不同的带宽 在此不多说 但大家要了解的是带宽所扮演的角色 就是限制了系统的最高速度
以上介绍都是有关编码器的基本概念 当对上述的术语及定义都清楚 那就可进入编码器的选型
D 编码器怎样选型
D.1 考虑用在哪里 用在机械端 还是电机端 这就会牵扯到机构的安装 若安装在电机端 利用电机的轴心 可找中空式 若用机械端的传动那就考虑用轴心式另外惯穿式的编码器多用在大口径的轴心上(他的技术门坎高 不好做 要将码盘线路板惯穿 有只有做大盘面 才有机会)
D2. 考虑与系统的搭配我使用哪种控制器 PLC 运动控制 还是数控系统 不同的控制器 会有不同的接口(接口) 编码器输出的接口 与控制器端输入的接口 是要相同
编码器的接口是方波 那控制器的接口也是要方波
编码器是PNP NPN 那控制器也是要相同的规格
D3. 编码器的绝对式与增量是命令的选用我们从示波器可以看到增量式完全是由几路脉冲所构成 这些都需透过计数器来计数来运算其位置 但断电时这些脉冲都消失不见 包括已经被计数的位置也都消失 若再重新启动就必须再重新找原点 这是比较麻烦 所以在欧洲又研制了绝对式的编码器 他的指令不是脉冲的讯号 而是代码的输出 所以其上位系统(驱动器控制器)的接口 其格式必须是相同 因其市场的范围较小 又受限于上位系统 价格偏高维修成本也是 尤其多圈高分辨率的编码器
D4.编码器分辨率高低的选用 理论上高精度半随着高分辨率 高分辨率的编码器有许多的好处 在精度 在低速 再提升电机的有效功率 都有不错的表现但需要各种配套匹配 这样在速度及精度才能取得平衡点 那分辨率的值要小于精度的值有的厂家建议在10倍左右
D5. 弦波与方波的选用 弦波是欧美的强项 期技术门坎也较高 所以价格也较偏高 当然多数的人员会选用弦波只因他们可能使用的數控系统是西门子海德汉这些高档的术控系统 而来选用弦波 除此之外还有哪些运用适合弦波
D5.1. 高分辨率的编码器如分度的运用 高位数之伺服系统 如需要的分辨率千分之一度 那所需要的编码器就需90,000PPR 那买一颗90,000PPR 的编码器那你得花多少钱 另外此编码器体积若太大 你就可用弦波的编码器加倍频转换器 如用3600的弦波 加25倍的倍频转换器 那就输出90,000脉冲 这是性价比较高的做法 那伺服电机的高分辨率又是怎么做出来 同样的方法 电机内置弦波的编码器 再经过仿真量倍频转换成高解析之脉冲讯号最终转换成编码的绝对命令 这部份我们仅需知道 跟我们编码器选型无关
D5.2 抗干扰效果优于脉冲 噪声跟脉冲波都是由电流及电压构成 系统很难去判别哪个是噪声 哪个是脉冲讯号系统只要触发到上升沿 他就计数 弦波他是连续波 上面纵有噪声 系统绝不会误判
D5.3 使用弦波编码器可有效的降低电机的无效功 而表现出来就是电机的扭力提升
以上写的都跟编码器的电器规格有关 以下所写的就跟使用的环境有关
D6.编码器一般可装在电机的后端 或者用同步带来传动 透过不同的机构来做间接传动都会有间隙的产生对于高精度设备 这样的间隙误差是无法接受 若机构是做直线运动 那可建议选用 光学尺 磁性尺 他可消除间隙之外 还可避免温升造成热膨胀 若是用在主轴定位 那只有用磁感式的编码器可以安装在机械主轴上或电主轴上 这样就减去同步带的传动 永远跟主轴做同步运动 没有间隙误差的产生
D7. 编码器可以看成是小型精密的仪器 那这精密的仪器最怕甚么 最怕震动尤其他的码盘多为玻璃蚀刻而成 刚性的传导很容易将玻璃弄破那你的选型只有两种 属于耐震动 那只有旋变及磁感式的 那旋变是5Vpp的弦波 注意其配套上位的接口 还有期安装同心圆要求高否则会造成弦波的准位乱跳动 这就很麻烦
D7.多数的编码器其转速多数不高 多数大概在6000RPM 不是其输出的带宽不够而是受限期机械结构 或者是其安装的精度 以至把速度降下来否则安装的偏差 很容易将码盘打破 所以目前在高速高频的编码器只有磁感式的编码器做的到 目前有做过的项目 超过60,000rpm
D8.防护等级的要求 编码器完全是靠硬件的动做 来发出讯号 光电式编码器靠的是线路与机械结构完全做在一起这样的防护等级都不会太高 多数都在IP50 要求高些顶多做在IP67 所需的费用就很高了再切削主轴 因其高转速 在电机的内部转子高速旋转 会产生虹吸效应 也就是将电机内部的气体排除形成真空 当然就会将外部的油气 水汽吸引进来 而将编码器的码盘或线路污染而让编码器的讯号失效 甚至损坏
E案例说明 高速电主轴 3.7KW 转速30000rpm 4极异步电机 刀柄BT30 怎样选用编码器
这理不仅是需选择编码器 也需选择变频器 我们一并来说
E1.由D的说明可以确认 要到30000rpm 只有磁感式编码器可供选择 那我们来看看什么是磁感式编码器
由上图可以看出 此编码器是由两个套件所构成 读数头及齿轮
对：刘志斌关于引用 笨鳥慢飛 64楼 的回复内容：……三菱伺服內編碼器的碼盤 其刻線不超過300條線 那其17位的解析度又是怎麼來的 ……引用 笨鳥慢飛78楼 的回复内容：……你的觀點僅是放大 縮小 我的觀點是倍頻細分我司的做法純粹是硬體的倍頻細分(其重複性 及穩定性較高) 三菱的做法是軟硬體構成 也就是倍頻細分還有轉換 將增量脈衝變成絕對的編碼 所以有網友說他是伪絕對式像你對編碼器 ……1、举例说，100条刻线的米尺，把它的读数扩大10倍，分辨率能不能由0.01米提高到0.001米？2、回答是肯定的，内容的回复：
怎麼擴大10倍 一個脈衝V寬變成10倍脈衝V寬 那我可以肯定告訴你 還是算一個脈衝
6、那么笨鳥慢飛说的：“我司的做法純粹是硬體的倍頻細分”，“其刻線不超過300條線 那其17位的解析度”，是正确的吗？
7、因为只有一个256刻线的码盘，而且是将这个码盘输出脉冲数用电路扩大2^8，肯定是骗人的；
8、当我们用千分尺检测0.01mm时，有与之对应的刻线，我们是从这个实际刻线得到的0.01mm的读数；
9、当我们用光栅尺测量0.001mm时，有与之对应的莫尔条纹，我们是从这个实际莫尔条文上得到的0.001mm的读数；
10、如果只有一个256刻线的码盘，而且是将这个码盘输出脉冲数用电路扩大2^8，你能看到1个1个脉冲吗？你看不到，你只能看到2^8×1、2^8×2、2^8×3、……、2^8×256这样的脉冲群；
回复内容：
对：刘志斌关于 1、大家看着这个编码器输出脉冲的波形图1）A、B、Z、/A、/B、Z/，都必须是实际刻线产生的脉冲；2）要产生A、B、/A、/B，必须是4个错开90°安装的相同刻线数的光盘，或者是1个光盘4个错开90°的光眼；3）如果你打开编码器，看到的是一个光盘、一个光眼，也就是编码器只有A是实际刻线产生的，B、/A、/B是通过电路复制的“影子”，那就是一个假编码器； 内容的回复：
龜孫子 這個圖是我畫 又被你亂用來瞎說 产生A、B、/A、/B，必须是4个错开90°安装的相同刻线数的光盘，或者是1个光盘4个错开90°的光眼；也就是编码器只有A是实际刻线产生的，B、/A、/B是通过电路复制的“影子
真不知道你在瞎說什麼 三個結論錯三個 你這種垃圾還敢汙染我的園地 TMD
回复内容：
对：刘志斌关于引用 笨鳥慢飛 的回复内容：F1. 那大家来真对风力发电机有四颗编码器我们如何选择一颗适合所用之编码器呢? 给大家去思考並在此提出討論 當然此題並沒有絕對的答案 完全一個人考慮的方向 肯定有不同的答案1、为什么风力发电机要有4个编码器？2、风力发电机的运行，从速度看有高速和低速运行，从运行状态看有电动和发电两个状态，从转向看有正转与反转两个方向； 内容的回复：
俺是做风电的，一般来说，风力发电机主要在以下几个方面用到编码器了：
1. 主轴编码器，主要检测风机主轴的转速，分辨率和带宽都比较低
2. 发电机编码器，主要检测发电机转速
3. 变桨电机编码器，主要检测变桨电机转速
4. 偏航编码器，主要检测偏差的速度
所以，楼主 笨鳥慢飛 说的对，还是很厉害的，知识面还是挺广的。
我也学习学习！！
回复内容：
对：lovelove2000关于回复内容：俺是做风电的，一般来说，风力发电机主要在以下几个方面用到编码器了：1. 主轴编码器，主要检测风机主轴的转速，分辨率和带宽都比较低2. 发电机编码器，主要检测发电机转速3. 变桨电机编码器，主要检测变桨电机转速4. 偏航编码器，主要检测偏差的速度所以，楼主 笨鳥慢飛 说的对，还是很厉害的，知识面还是挺广的。我也学习学习！！内容的回复：
謝謝 風力發電目前不是我的主力營業 先前我也只接觸過兩家 瀋陽及無錫 但兩家的用法好像不太一樣 我是以瀋陽的說法寫出 看樣子這說法 還少了兩顆
能告訴我這四種編碼器的規格及要求嗎?
引用 lovelove2000 的回复内容：……俺是做风电的，一般来说，风力发电机主要在以下几个方面用到编码器了：
1. 主轴编码器，主要检测风机主轴的转速，分辨率和带宽都比较低
2. 发电机编码器，主要检测发电机转速
3. 变桨电机编码器，主要检测变桨电机转速
4. 偏航编码器，主要检测偏差的速度所以，楼主 笨鳥慢飛 说的对，还是很厉害的，知识面还是挺广的。我也学习学习！！
1、检测风机主轴的转速、检测发电机转速是一般的速度传感器，与编码器的概念完全是两码事；
2、一般的速度传感器，就是简单的测速发电机或者测速频率计，与伺服用的高解析度、高分辨率的编码器的概念完全是两码事！
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