選擇旋轉編碼器的機種時,應注意下列諸點:
(1)增量式、或絕對式:
應在考慮容許成本、電源打開時可否回歸原點、控制速度、耐干擾性等,選擇適當的類型。
(2)應該要有多少分解能:
在考慮組合之機械裝置的要求精度及機械的成本下,選擇最適宜之機械綜合精度之 1/2 ~ 1/4
分解能的精度即可。
(3)外型尺寸:
因為裝設空間的關係而選擇之軸形型式(中空軸、SHAFT TYPE),在選擇時也應列入考慮。
(4)軸容許負荷:
選擇時應考慮裝設方法造成的軸負荷狀態及機械壽命等。
(5)容許最大旋轉數:
以使用時之機械的最大旋轉數來選擇。
(6)最高應答頻率:
從組合之機械裝置的使用時軸最大轉數來決定。
最大應答頻率 = (]旋轉數/60) × 分解能,但,因為實際信號周期
會有誤差,應針對上述計算值,選擇較寬裕的樣式。
(7)保護構造:
依使用環境之灰塵、水、油等的程度來選擇。
(8)軸的旋轉啟動力矩:
驅動源的力矩多大。
(9)輸出回路方式:
考慮連接之後段機器、信號的頻率、傳送距離、干擾環境等,選擇回路方式。
長距離傳送時,選擇差動(line drive) 輸出即可。
一. 增量式
*只有在旋轉期間會輸出對應旋轉角度之脈衝的類型,靜止狀態時不會輸出。所以需要以另外計數器
來計算輸出脈衝數,是利用計數來檢測旋轉量的方式。
*增量式的脈衝信號無法一一識別,想要知道某輸入軸位置的旋轉數時,需要以計數器累加計算來自該
位置的脈衝數。因此,可以任意選擇基準位置,且可無限計算旋轉量。若再推展回路,將脈衝發生
頻率提高 2、4 倍時,也可增加電氣的分解能,這也是它的一個最大特徵 (註)。另外,每 1 旋轉發生
一次的 Z 相信號也可以當做座標原點來使用。
註:需要高分解能時,一般會採用4 遞位回路方式。( 對A 相、 B 相的上、下波形分別進行微分的話,
就可以得到 4 倍輸出,分解能也就變成 4 倍。)
圖解:
圖解說明:
隨著軸的旋轉,被寫入黑白圖案之碟片也會一起旋轉,而相對應的,通過 2 個縫隙的光會透過或被遮斷。
此光線會被各縫隙相對的影像半導體管變換成電流,並經波形整形後以2 個矩形波列來輸出。而 2 個縫隙
的配置上,相互間之矩形波列輸出的位相有1/4 間隔的差異。
輸出波形:
分解能改變,相數也不會改變。
二. 絕對式:
不論是否有旋轉,可以將對應旋轉角度的絕對位置信號進行平行輸出的類型。所以,不需要
計數器即可隨時確認旋轉位置。只要將編碼器組入機械,就會決定輸入旋轉軸的零位置,並隨時
將以數位方式來顯示零位置做為座標原點的旋轉角度。不但不會因為干擾等而造成混亂,啟動時
也不需要調整。而且,在高速旋轉下無法讀取符號時、在降低旋轉速度或在因停電等而斷電後再
打開電源時,仍然可以讀取正確的旋轉角度。此外,因為機械的晃動或振動所造成的不穩現象、
開關等承受到的電氣干擾等,也不會產生影響而十分安定。
圖解:
圖解說明:
寫入圖案的碟片旋轉時,通過縫隙的光,會依照圖案而有些透過、有些遮斷。透過的光會被影像
半導體管轉變成電流,經由波形整形回路而變成完全的數位信號。
輸出波形:輸出波形軌跡數不會因為分解能而改變。
三、增量式與絕對式的核心差異
特性 | 增量式編碼器 | 絕對式編碼器 |
位置數據 | 需累積脈衝數據計算 | 直接輸出絕對位置 |
電源影響 | 斷電後數據丟失,需重新設定基準點 | 斷電後數據保持,無需重新設定 |
應用場景 | 相對位置測量,速度控制 | 精確位置控制,復雜環境應用 |
成本 | 成本較低 | 成本較高 |
增量式編碼器的工作原理與使用方法
1. 工作原理
旋轉編碼器是一種採用光電等方法將軸的機械轉角轉換為數字信號輸出的精密傳感器,分為增量式旋轉編碼器和絕對式旋轉編碼器。
光電增量式編碼器的工作原理如下:隨轉軸一起轉動的脈衝碼盤上有均勻刻製的光柵,在碼盤上均勻地分佈著若干個透光區段和遮光區段。
增量式編碼器沒有固定的起始零點,輸出的是與轉角的增量成正比的脈衝,需要用計數器來計脈衝數。每轉過一個透光區時,就發出一個脈衝信號,計數器當前值加1,計數結果對應於轉角的增量。
增量式編碼器的製造工藝簡單,價格便宜,有時也用來測量絕對轉角。
2. 增量式編碼器的分類
(1)單通道增量式編碼器內部只有一對光電耦合器,只能產生一個脈衝序列。
(2)AB相編碼器內部有兩對光電耦合器,輸出相位差為90°的兩組脈衝序列。 正轉和反轉時兩路脈衝的超前、滯後關係剛好相反。 由下圖可知,在B相脈衝的上升沿,正轉和反轉時A相脈衝的電平高低剛好相反,因此使用AB相編碼器,PLC可以很容易地識別出轉軸旋轉的方向。
需要增加測量的精度時,可以採用4倍頻方式,即分別在A、B相波形的上升沿和下降沿計數,分辨率可以提高4倍,但是被測信號的最高頻率相應降低。
(3)三通道增量式編碼器內部除了有雙通道增量式編碼器的兩對光電耦合器外,在脈衝碼盤的另外一個通道有1個透光段,每轉1圈,輸出1個脈衝,該脈衝稱為Z相零位脈衝,用做系統清零信號,或坐標的原點,以減少測量的積累誤差。
2. 編碼器的選型
首先根據測量要求選擇編碼器的類型,增量式編碼器每轉發出的脈衝數等於它的光柵的線數。在設計時應根據轉速測量或定位的度要求,和編碼器的轉速,來確定編碼器的線數。 編碼器安裝在電動機軸上,或安裝在減速後的某個轉軸上,編碼器的轉速有很大的區別。 還應考慮它發出的脈衝的最高頻率是否在PLC的高速計數器允許的範圍內。
3. 編碼器與PLC高速計數器的配合問題
以S7-200為例,使用單通道增量式編碼器時,可選高速計數器的單相加/減計數器模式(模式0~5),可細分為有/無外部方向輸入信號、有/無復位輸入和有/無啟動輸入信號。
使用AB相編碼器時,高速計數器應選A/B相正交計數器模式(模式9~11),可以實現在正轉時加計數,反轉時減計數。
4. 怎樣判斷AB相編碼器是正轉還是反轉?
S7-200的高速計數器用SM區中的當前計數方向狀態位來指示編碼器的旋轉方向。如果編碼器輸出脈衝的周期大於PLC的掃描循環時間的兩倍,通過在B相脈衝的上升沿判斷A相脈衝信號的0、1狀態,可以判斷編碼器旋轉的方向。