如何为您的应用选择合适的编码器? 点击:147 | 回复:0



中国编码器

    
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发表于:2022-02-23 15:21:23
楼主

许多小型电机应用的首选反馈传感器是数字增量编码器。本系列博客首先重新考虑最重要的编码器属性,然后再详细了解位置和速度控制应用的选择。

典型的要求是什么?

每个应用程序都是不同的。主要任务可能是位置控制或速度控制。速度或位置控制的精度水平可能有很大差异,应在选择编码器之前进行定义。低速(低于 100 rpm)的速度控制比高速(1000 rpm 及以上)的速度控制需要更好的反馈。

负载可以直接耦合到电机上,或者有一个机械转换系统,例如齿轮箱、螺钉或其他。编码器通常安装在电机轴上,但也可以安装在负载本身上。转换机构的机械特性会影响编码器的选择:必须考虑齿轮减速和机械间隙。

温度、振动、电磁干扰等环境条件也可能对编码器的选择产生影响。例如,光学编码器应防尘。磁性编码器可能对外部磁场(包括电机的磁场)敏感,并且可能需要屏蔽。

增量编码器的关键特性是什么?

增量编码器的特征参数是电机每转的矩形脉冲数。通常,有两个通道提供相同的脉冲数。这两个信号具有四分之一脉冲长度的相对相移。这种布置允许检测电机旋转方向,并为每个脉冲提供 4 个不同的状态。有时,这些状态被称为quadcounts。它们代表了比一个通道上的脉冲数高 4 倍的实际分辨率。具有 1000 cpt(每圈计数或脉冲数)的编码器每圈可提供 4000 个状态或 360°/4000 = 0.09° 的标称分辨率。

观察:在讨论编码器的分辨率时,请确保每个人都在谈论相同的内容:每个通道的脉冲数 (cpt) 或状态数(quadcounts)。

encoder phase.jpg

数字增量编码器的信号。对状态变化(通道 A 和 B 的信号边沿)进行计数会产生比一个编码器通道上每转计数高 4 倍的分辨率。

旋转编码器分辨率可以在很宽的范围内变化。从仅用于检测运动的非常简单的 1 cpt(或 4 个状态)编码器,到用于高度准确的位置或速度反馈的数个 10’000 cpt。影响编码器分辨率的因素有很多:基本物理原理(光学、磁性、感应……)、主要信号类型(模拟或数字)、信号处理(例如插值)和机械布局等等. 然而,这个博客不是关于编码器设计的,而是关于如何通过合适的编码器来匹配特定的应用程序控制要求。

旋转编码器的精度如何?

分辨率 – 状态数 – 给出标称精度,位置在 1 个状态的误差内已知。但是,编码器脉冲长度可能会因机械公差(例如轴跳动、磁极长度等)而有所不同。电机旋转某一范围内的脉冲可能比其他范围内的脉冲短。结果,测量的位置在电机一圈内周期性地偏离实际位置。

encoder_graph.jpg

具有 256 cpt 的磁性插值编码器的测量非线性示例。与完美位置的偏差显示为编码器信号(1024 个四边形)的函数。该图由 1 圈的 25 个测量值组成。可以清楚地看到一圈后重复出现的偏差。与平均绝对位置的偏差约为 +/- 0.45°,或者就 INL 而言约为 0.9°。在给定的编码器位置,信号噪声(抖动)约为 0.3°,完全对应于 1 个状态的变化(360°/1024 = 0.35°)。

最大偏差(峰到峰)称为综合非线性 (INL)。INL 在需要绝对位置精度的应用中很重要。可重复性——即对于给定的设定值总是到达相同的位置——不受 INL 的影响。可重复性是一个信号抖动问题,通常小于 1 个状态。

增量编码器和绝对位置?

encoder-position.jpg

通过额外移动到索引通道信号的边缘来提高参考位置的准确性。

增量编码器只是给出位置变化。对于绝对定位,必须首先建立参考或起始位置。这是通过将机制移动到外部参考来实现的;这可以是机械限位器或限位开关。

一些编码器具有第三个通道,每转一个脉冲。该索引通道的边缘在一圈内提供绝对位置参考。外部参考的有限准确性可以通过额外移动到索引通道边缘之一来提高。但是,请注意索引通道不是定位的先决条件。事实上,机器制造商尽量避免使用索引作为参考,因为如果必须更换电机编码器单元,则需要重新校准。此外,一些控制器使用索引通道来交叉检查编码器信号并监督编码器每转的计数。

传输信号时要注意什么?

建议使用线路驱动器进行长线路传输并获得更好的信号质量。对于定位,线路驱动器几乎是必须的,以避免错过编码器脉冲。

线路驱动器为每个通道(A、B、I)生成反相信号(Ā、B̄、Ī)。每个信号对一起传输并评估差异,从而滤除信号传输过程中的任何电磁干扰。作为一个有益的副作用,信号质量得到改善,信号边缘被更清晰地定义,并且驱动器功能使信号能够在更长的距离(高达约 30 m)上传输。

编码器需要最低电源电压。在长编码器线路上,线路电阻和相应的电压降可能是一个问题。检查电缆横截面和电源电压。

环境条件、稳定性

旋转编码器的标准工作温度范围为 -30°C 至 +100°C。这涵盖了大多数应用和电机产生的热量。

在强烈振动的应用和机械冲击中,坚固的机械外壳和良好的电缆应变消除非常重要。

虽然光学编码器对电磁干扰不太敏感,但磁性编码器需要对杂散磁场有良好的屏蔽。如果外壳没有很好地封闭和紧固,则光学编码器对灰尘很敏感。





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