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光电编码器概述
更新时间:2011-1-29 14:45:56 作者:admin 来源:长春创元测试设备有限公司 浏览:36612 次  关闭
    光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲、数字量或模拟量信号输出的传感器。利用它可以实现角度、直线位移、转速等模拟物理量的测量。
一、特点
    它具有体积小、重量轻、品种多、功能全、高频响应、分辨能力高、承载能力强、力矩小、耗能低;性能稳定、可靠、使用寿命长等特点。
 
二、编码器分类
1、按信号的原理分:增量式编码器、绝对式编码器、混合式编码器
    直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相;A、B两组脉冲相位差90º,从而可方便地判断出旋转方向,而Z相为每转一个脉冲,用于基准点定位。它的优点是原理构造简单,机械平均寿命可在几万小时以上,抗干扰能力强,可靠性高,适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
    利用自然二进制或循环二进制(格雷码)方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形,绝对编码器可有若干编码,根据读出码盘上的编码,检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是:
(1)可以直接读出角度坐标的绝对值;
(2)没有累积误差;
(3)电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的,也就是说精度取决于位数,目前有10位、14位等多种。
    它输出两组信息:一组信息用于检测磁极位置,带有绝对信息功能;另一组则完全同增量式编码器的输出信息。
    绝对值编码器是一种直接编码和直接测量的检测装置。它能指示绝对值位置,没有累积误差,电源切除后,位置信息不丢失。常用的编码器有编码盘和编码尺,统称为码盘。从编码器的使用记数来分类,有二进制编码、二进制循环码(葛莱码)、二-十进制码等编码器。从结构原理分类,有接触式、光电式和电磁式等几种。
    混合式绝对值编码器就是把增量制码与绝对制码同做在一块码盘上。在圆盘的最外圈是高密度的增量条纹,中间有四个码道组成绝对式的四位葛莱码,每1/4同心圆被葛莱码分割成16个等分段。该码盘的工作原理是三极记数:粗、中、精计数。码盘转的转数由对“一转脉冲”的计数表示。在一转以内的角度位置有葛莱码的4*16不同的数值表示。每1/4圆葛莱码的细分有最外圆的增量码完成。
    增量式光电编码器:测速,测转动方向,测移动角度、距离(相对)。
A:工作原理图

B:工作原理:
1)光电编码器的组成:一个中心有轴的光电码盘,在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条,在圆盘两侧,安放发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时,光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化,光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲,获得四组正弦波信号组合:A、/A、B、/B ,每个正弦波相差90度相位差(相对于一个周波为360度)用以判断旋转方向。码盘上有Z相标志(参考机械零位),每转一圈输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。
2)由于A、B两相相差90度,可通过比较A相在前还是B相在前,以判别编码器的正转与反转,如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转,否则为反转;通过零位脉冲,可获得编码器的零位参考位。
3)当脉冲数已固定,而需要提高分辨率时,可利用90°相位差A、B两路信号,对原脉冲数进行2倍频或4倍频。
4)轴的每圈转动,增量型编码器提供一定数量的脉冲。周期性的测量或者单位时间内的脉冲计数可以用来测量移动的速度。如果在一个参考点后面脉冲数被累加,计算值就代表了转动角度或行程的参数。双通道编码器输出脉冲之间相差为90º。能使接收脉冲的电子设备接收轴的旋转感应信号, 因此可用来实现双向的定位控制;另外,三通道增量型旋转编码器每一圈产生一个称之为零位信号的脉冲。
C:关于码盘
a)脉冲信号
  1.A相
  2.B相
  3.Z相
    编码器的材料有玻璃、金属、塑料,玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线,其热稳定性好,精度高,金属码盘直接以通和不通刻线,不易碎,但由于金属有一定的厚度,精度就有限制,其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级,塑料码盘是经济型的,其成本低,但精度、热稳定性、寿命均要差一些。
    编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率,也称解析分度、或直接称多少线,一般在每转分度5~10000线。
c)机械转速和电气转速
    编码器的机械转速以每分钟最大可以旋转多少圈表示——rpm。
    编码器的电气转速也称为开关频率,是读取每个脉冲信号的反应速度,以每秒多少次表示——Hz。
1.最大工作速度应同时兼顾编码器的机械转速、电气转速以及编码器后续接收设备的开关频率。
Nmax=Fmax×60/Z;Nmax:最大转速;Fmax:最高响应频率;Z:每转输出脉冲数
2.每秒钟光电编码器输出的脉冲个数:
   N=电机的转速n×每转线数/60
   例如,当电机的转速n=1000转/分,线数为600,则每秒钟光电编码器的脉冲个数应为
   N=1000 × 600/60=10000(个)脉冲
   若n=1转/分
   则N=1 × 600/60 =10(个)
d)信号输出:正弦波(电流或电压)、方波(TTL、HTL)、集电极开路(PNP、NPN)、推拉式
   其中:
   TTL为长线差分驱动(对称A,/A;B,/B;Z,/Z);
   HTL也称推拉式、推挽式输出,编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。
e)信号连接
   连接设备:计数器、PLC、计算机
   连接方式:
1. 单相连接:
    用于正反向计数和测速
2. A、B两相连接:
    用于正反向计数、判断正反向和测速
3. A、B、Z三相连接:
    用于带参考位修正的位置测量。
1)PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分,开关频率有低有高。
2)三相连接:
    由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为0,衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离。
    对于TTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达150米。
    对于HTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达300米。  
 
三、计数模块编程

    增量式编码器的问题:
1)增量型编码器存在零点累计误差,抗干扰较差,接收设备的停机需断电记忆,开机应找零或参考位等问题,这些问题如选用绝对型编码器可以解决。
2)测量速度有等时间法,和等脉冲数法。
    等时间法,选定一个单位时间,(如100mS),在单位时间里累计读取的脉冲数时间平均,既是此时间段的平均速度。
    等
脉冲数,选定一定数量的脉冲数(如100脉冲),在累计读到这些脉冲数的时间,作时间平均,既是此时间的平均速度。
    一般工业中多用等时法。
1、从增量式编码器到绝对值式编码器
    增量式编码器以转动时输出脉冲,通过计数设备来计算其位置,当编码器不动或停电时,依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样,当停电后,编码器不能有任何的移动,当来电工作时,编码器输出脉冲过程中,也不能有干扰而丢失脉冲,不然,计数设备计算并记忆的零点就会偏移,而且这种偏移的量是无从知道的,只有错误的生产结果出现后才能知道。
    解决的方法是增加参考点,编码器每经过参考点,将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前,是不能保证位置的准确性的。为此,在工控中就有每次操作先找参考点,开机找零等方法。
    这样的方法对有些工控项目比较麻烦,甚至不允许开机找零(开机后就要知道准确位置),于是就有了绝对编码器的出现。
2、绝对值式光电编码器
    工作原理:
    圆形码盘上沿径向有若干同心码道,相邻码道的扇区数目是双倍关系,码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数。
    绝对值编码器为每一个轴的位置提供一个独一无二的编码数字值。
    当掉电时, 绝对型编码器的位置不会丢失 。
1)绝对值编码器,在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道,每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成,相邻码道的扇区数目是双倍关系,码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数,在码盘的一侧是光源,另一侧对应每一码道有一光敏元件;当码盘处于不同位置时,各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号,形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器,在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然,码道越多,分辨率就越高,对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器,其码盘必须有N条码道。   
2)它有一个绝对零位代码,当停电或关机后,再开机重新测量时,仍可准确地读出停电或关机位置的代码,并准确地找到零位代码。  
3)绝对式编码器轴旋转时,有与位置对应的代码(二进制、BCD码等)输出。从代码大、小的变更,即可判别正反方向和位移所处的位置,而无需判向电路。
4)格雷码每次只变化一位。
5)旋转编码器的格雷码也是循环码,其最高位与最低位同样遵循只变化一位的规律。
   
 
    绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线,每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排,这样,在编码器的每一个位置,通过读取每道刻线的通、暗,获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码),这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的,它不受停电、干扰的影响。旋转绝对值编码器,以转动中测量光电码盘各道刻线,以获取唯一的编码。这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量,称为单圈绝对值编码器。
   
 
 
    旋转绝对值编码器,以转动中测量光电码盘各道刻线,以获取唯一的编码,当转动超过360度时,编码又回到原点,这样就不符合绝对编码唯一的原则。如果要测量旋转超过360度范围,就要用到多圈绝对值编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理,当中心码盘旋转时,通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮,多组码盘),在单圈编码的基础上再增加圈数的编码,以扩大编码器的测量范围,这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器,它同样是由机械位置确定编码,每个位置编码唯一不重复,而无需记忆。
5、机械安装
1)安装在高速端
2)安装在低速端
6、信号输出
1)并行输出
3)总线型输出
4)变送一体型输出
绝对值编码器信号输出有:并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出。
1)并行输出:
    绝对值编码器输出的是多位数码(格雷码或纯二进制码),并行输出就是在接口上有多点高低电平输出,以代表数码的1或0,对于位数不高的绝对编码器,一般就直接以此形式输出数码,可直接进入PLC或上位机的I/O接口,输出及时,连接简单。但是并行输出有如下问题:
 1. 必须是格雷码,因为如是纯二进制码,在数据刷新时可能有多位变化,读数会在短时间里造成错码。
 2. 所有接口必须确保连接好,因为如有个别连接不良点,该点电位始终是0,造成错码而无法判断。
 3. 传输距离不能远,一般在一两米,对于复杂环境,最好有隔离。
 4. 对于位数较多,要许多芯电缆,并要确保连接优良,由此带来工程难度,同样,对于编码器,要同时有许多节点输出,增加编码器的故障损坏率。
2)
串行SSI输出
    串行输出就是通过约定,在时间上有先后的数据输出,这种约定称为通讯规约,其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。串行输出连接线少,传输距离远,对于编码器的保护和可靠性就大大提高了。一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。
3)现场总线型输出
    现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号线连接在一起,通过设定地址,用通讯方式传输信号,信号的接收设备只需一个接口,就可以读多个编码器信号。总线型编码器信号遵循RS485的物理格式,其信号的编排方式称为通讯规约,目前全世界有多个通讯规约,各有优点,还未统一,编码器常用的通讯规约有如下几种:PROFIBUS-DP;  CAN;DeviceNet; Interbus等。
    总线型编码器可以节省连接线缆、接收设备接口,传输距离远,在多个编码器集中控制的情况下还可以大大节省成本。
4)变送一体型输出
    对于某些厂家的绝对编码器,其信号已经在编码器内换算后直接变送输出,其有模拟量4—20mA输出、RS485数字输出、14位并行输出。
  1.连接PLC或上位机
  2.连接专用显示转换仪表
1)编码器如果是并行输出的,可以直接连接PLC或上位机的输入输出接点I/O,其信号数学格式应该是格雷码。编码器有多少位就要占用PLC的多少位接点,如果是24伏推挽式输出,高电平有效为1,低电平为0;如果是集电极开路NPN输出,则连接的接点也必须是NPN型的,其低电平有效,低电平为1。
2)编码器如果是串行输出的,由于通讯协议的限制,后接电气设备必须有对应的接口。
3)编码器如是总线型输出,接受设备需配专用的总线模块,例如PROFIBUS-DP。
但是,如选择总线型输出编码器,在编码器与接收设备PLC中间,就无法加入其他显示仪表,如需现场显示,就要从PLC 再转出信号给与信号匹配的显示仪表。
8、格雷码输入编程

四、光电编码器的选择
1、分辨率:
    与位置精度有关
2、外观尺寸:
    与安装空间的关系
3、轴允许负重:
    与寿命、安装状况的关系
4、允许最大转数(最高响应频率):
    马达等驱动轴的转数与分辨率的关系
5、输出相位差:
    与NC机械等用的控制部分的匹配情况
6、对环境的适应性:
    与使用环境的关系
7、增量型、绝对值型:
    考虑到成本,看在切断电源时能否检测绝对值位置。有无计数器、抗噪音性能如何等。
 
五、光电编码器使用注意事项
1、机械部分
    1) 测长度还是测角度
    2) 轴连接安装形式;
    3) 使用环境,粉尘,水气,震动,撞击。
2、电气部分
    1) 连接的输出接收部分;
    2) 信号形式;
    3) 分辨率要求;
    4) 控制要求。
    *绝对式编码器的问题
    *绝对值编码器:每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆。
 
 
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