編碼器可在各種應(yīng)用中為運(yùn)動(dòng)提供反饋，例如將病人放在磁共振成像儀的適當(dāng)位置或以每分鐘300瓶的速度灌裝飲料。在選擇編碼器時(shí)用戶必須考慮一些至關(guān)重要的應(yīng)用特性：是跟蹤直線運(yùn)動(dòng)還是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?采用光學(xué)編碼器還是磁性編碼器?此外為成功實(shí)現(xiàn)專業(yè)應(yīng)用，用戶還應(yīng)考慮是選擇
增量式編碼器還是絕對(duì)式編碼器——即使采用相同的傳感機(jī)制，這兩種編碼器的性能也有巨大差異。為實(shí)現(xiàn)一個(gè)成功的應(yīng)用系統(tǒng)您需要了解上述兩種編碼器的所有相關(guān)特性并做出正確選擇。
顧名思義，絕對(duì)式編碼器可以記錄編碼器在一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)系上的位置，而增量式編碼器可以輸出編碼器從預(yù)定義的起始位置發(fā)生的增量變化。增量式編碼器需要使用額外的電子設(shè)備(通常是PLC、計(jì)數(shù)器或變頻器)以進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，并將脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為速度或運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，而絕對(duì)式編碼器可產(chǎn)生能夠識(shí)別絕對(duì)位置的數(shù)字信號(hào)。綜上所述，增量式編碼器通常更適用于低性能的簡(jiǎn)單應(yīng)用，而絕對(duì)式編碼器則是更為復(fù)雜的關(guān)鍵應(yīng)用的最佳選擇——這些應(yīng)用具有更高的速度和位置控制要求。輸出類型取決于具體應(yīng)用。
增量式編碼器
當(dāng)增量式編碼器移動(dòng)時(shí)，編碼器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正比于軸旋轉(zhuǎn)速度(旋轉(zhuǎn)編碼器)或運(yùn)動(dòng)距離(線性編碼器)的二進(jìn)制脈沖流。采用光學(xué)編碼器時(shí)，放置在LED光源和光傳感器之間的特定樣式的碼盤或直線碼帶可交替導(dǎo)通或阻斷光束，由此產(chǎn)生模擬信號(hào);然后額外電路(通常是板載ASIC)會(huì)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波。磁性編碼器可以采用多種機(jī)制運(yùn)行，但都會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)磁場(chǎng)，由此產(chǎn)生電壓脈沖或可以轉(zhuǎn)換為脈沖的電阻變化。
單通道增量式編碼器只能輸出單脈沖流，因此只能提供有限信息。根據(jù)編碼器的分辨率，即旋轉(zhuǎn)編碼器每圈的脈沖數(shù)或線性編碼器運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)距離(毫米/英寸)，外部電子設(shè)備可以進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，并計(jì)算速度或相對(duì)某個(gè)參考坐標(biāo)(起始位置)的軌道偏移，由此確定編碼器位置。單通道設(shè)計(jì)為單向輸送機(jī)系統(tǒng)等應(yīng)用提供了出色的解決方案。
單通道編碼器操作簡(jiǎn)單、牢固耐用且價(jià)格經(jīng)濟(jì)，但是它有一個(gè)重要缺陷，即無(wú)法確定運(yùn)動(dòng)方向。確定運(yùn)動(dòng)方向需要編碼器具有更多輸出(通常采用相位差為90°的雙通道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通道“A”和通道“B”獨(dú)立輸出)。由于雙通道編碼器的信號(hào)輸出具有 2個(gè)上升沿和2個(gè)下降沿，因此有時(shí)也稱為正交編碼器。運(yùn)動(dòng)方向決定哪個(gè)通道先到達(dá)高電平，這使得處理器可方便地監(jiān)控運(yùn)動(dòng)方向(參見(jiàn)圖1)。操作人員可通過(guò)觸發(fā)一個(gè)或兩個(gè)通道的脈沖前沿和后沿提高編碼器分辨率——最大可提高4倍。
圖1：正交編碼器產(chǎn)生兩個(gè)相位差為90°的脈沖流，由此系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)控哪一個(gè)通道的相位超前來(lái)確定運(yùn)動(dòng)方向。觸發(fā)脈沖前沿和后沿可提高編碼器分辨率——最大可提高4倍。
正交編碼器為具有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜應(yīng)用提供了牢固耐用的解決方案。在高度振動(dòng)的應(yīng)用中，單通道編碼器可能將一個(gè)相對(duì)于設(shè)定點(diǎn)的軸抖動(dòng)產(chǎn)生的脈沖流誤解為一個(gè)真實(shí)的位移，正交編碼器則能夠識(shí)別方向上的變化并忽略脈沖流或?qū)⑵湟暈樵肼暥^(guò)濾掉。
增量式編碼器還可以包含一個(gè)額外的通道，即索引通道(或稱Z通道)。該通道可使旋轉(zhuǎn)編碼器或處于特定位置的線性編碼器每圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖(參見(jiàn)圖2)。Z通道可以在啟動(dòng)時(shí)確定特定位置。在高速應(yīng)用中，使用Z通道可以方便地指示單獨(dú)的一圈，并由此計(jì)算轉(zhuǎn)速。
增量式編碼器一般只適用于簡(jiǎn)單應(yīng)用，無(wú)論控制設(shè)備是計(jì)數(shù)器、PLC還是變頻器，直接連接編碼器和控制器即可。
絕對(duì)式編碼器
增量式編碼器的最大缺點(diǎn)是系統(tǒng)斷電時(shí)(例如臨時(shí)停電)它不會(huì)跟蹤任何由編碼器輸出的增量變化。因此，為了提供準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)，增量式編碼器在啟動(dòng)時(shí)必須返回初始位置。對(duì)于輸送機(jī)這樣每晚都會(huì)停機(jī)，然后每天早上再重新啟動(dòng)的應(yīng)用而言，增量編碼器返回初始位置不會(huì)對(duì)應(yīng)用造成影響。但是在汽車裝配機(jī)械手臂等應(yīng)用中，如果焊接座椅支架時(shí)斷電，增量編碼器返回初始位置會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞產(chǎn)品和機(jī)械手臂。絕對(duì)式編碼器是實(shí)現(xiàn)高可靠性應(yīng)用的理想之選。
與增量式編碼器不同，絕對(duì)式編碼器不會(huì)輸出脈沖，而是輸出數(shù)字信號(hào)以指示編碼器位置，并將編碼器位置作為絕對(duì)坐標(biāo)系中的靜態(tài)參照點(diǎn)。因此，絕對(duì)式編碼器在斷電時(shí)仍然能夠保存其絕對(duì)位置記錄。重新啟動(dòng)后系統(tǒng)可立即恢復(fù)運(yùn)動(dòng)，無(wú)需返回初始位置。
絕對(duì)值型旋轉(zhuǎn)編碼器具有一個(gè)連接在軸上的碼盤和一個(gè)固定光柵，允許系統(tǒng)為每一個(gè)行程點(diǎn)都生成一個(gè)唯一的二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符(線性傳感器工作原理與此類似，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文將重點(diǎn)介紹旋轉(zhuǎn)編碼器)。隨著碼盤旋轉(zhuǎn)到固定光柵上，系統(tǒng)會(huì)定期讀取標(biāo)識(shí)符，將其作為多位數(shù)字信號(hào)輸出。相關(guān)控制器或變頻器可輪詢編碼器以捕獲位置數(shù)據(jù)，并可直接利用這些數(shù)據(jù)或?qū)⑵涮幚頌樗俣刃畔ⅰ?
光學(xué)編碼器的固定光柵上具有交替的透明和不透明區(qū)，同樣，碼盤上也有透明和不透明區(qū)，這就形成了一組碼盤圈(碼道)，并在碼道上形成輻射區(qū)(參見(jiàn)圖3);每一個(gè)碼道都由一對(duì)不同的LED光源/光傳感器讀取。碼盤位于固定光柵頂部，通常位于包含檢測(cè)器矩陣和相關(guān)電子器件的傳感專用集成電路(ASIC)上部。隨著碼盤旋轉(zhuǎn)，碼盤的透明區(qū)定期與固定光柵上的透明區(qū)重合，使光信號(hào)得以到達(dá)檢測(cè)器并生成脈沖。碼盤上每一個(gè)碼道對(duì)應(yīng)輸出中的一個(gè)bit;碼道數(shù)量為n時(shí)可生成 2n個(gè)輻射位置。絕對(duì)式編碼器的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分辨率是12bit，或每旋轉(zhuǎn)一圈生成 4096個(gè)位置。此外某些型號(hào)的產(chǎn)品還可提供 22bit(4.19 x 106個(gè)位置)或更高的分辨率。磁性編碼器工作原理與光學(xué)編碼器類似。
某些應(yīng)用涉及長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)，需使用多圈型碼盤，此時(shí)，第2個(gè)碼盤(或更多碼盤)與主碼盤嚙合，跟蹤主碼盤的旋轉(zhuǎn)數(shù)。每次主碼盤旋轉(zhuǎn)完畢后，第2個(gè)碼盤都會(huì)進(jìn)行索引，這種設(shè)計(jì)為索引碼盤每圈中軸的位置都分配了一個(gè)唯一的坐標(biāo)——最多 4096圈。
圖3：光學(xué)絕對(duì)式編碼器分辨率的每一個(gè)bit都對(duì)應(yīng)的碼盤中的一個(gè)碼道。位數(shù)n (2n)等于2n輻射位置。和B通道相對(duì)應(yīng);注意它們的相位差為90°。
采用絕對(duì)式編碼器的應(yīng)用通常都比較復(fù)雜，需要部署硬軟件，以便與系統(tǒng)中其他電子設(shè)備(PLC、變頻器等)交互。
增量式編碼器VS絕對(duì)式編碼器
沒(méi)有適用于一切應(yīng)用的編碼器，您需要根據(jù)您的應(yīng)用需求選擇合適的編碼器(參見(jiàn)下表)。增量式編碼器易于集成和維護(hù)。在不太復(fù)雜的應(yīng)用中成本是用戶關(guān)心的主要問(wèn)題，這時(shí)增量式編碼器不失為最佳選擇，增量式編碼器常用于速度或速率監(jiān)控，例如調(diào)節(jié)倉(cāng)庫(kù)或郵件分揀設(shè)施中輸送機(jī)的線速度。根據(jù)應(yīng)用是否需要控制運(yùn)動(dòng)方向，您可決定采用單通道增量式編碼器還是正交編碼器。
如上所述，絕對(duì)式編碼器適用于安全問(wèn)題至關(guān)重要、不允許編碼器返回初始位置的應(yīng)用，如高性能的數(shù)控機(jī)床應(yīng)用。此外，該類型編碼器還是返回初始位置會(huì)大幅增加作業(yè)時(shí)間或應(yīng)用成本的應(yīng)用的理想選擇，例如在持續(xù)多天的分析中DNA測(cè)序儀供電中斷，則系統(tǒng)需要可靠重啟而不損壞精心培養(yǎng)的樣品或影響分析結(jié)果。絕對(duì)式編碼器支持在恢復(fù)供電時(shí)繼續(xù)工作。
由于絕對(duì)式編碼器輸出的是數(shù)字信號(hào)，因此能夠兼容多種通訊協(xié)議和總線，包括 BiSS、同步串行接口(SSI)、DeviceNet、Profibus、Modbus、CANopen以及其他基于以太網(wǎng)的眾多通訊協(xié)議。
如果沒(méi)有合適的反饋設(shè)備，即使采用世界上最好的定位部件也無(wú)濟(jì)于事。根據(jù)應(yīng)用特性，選擇合適的編碼器可實(shí)現(xiàn)理想的解決方案。原始設(shè)備制造商和機(jī)床制造商需要了解增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器的各種特性，并將其與應(yīng)用需求進(jìn)行比較，由此可以按計(jì)劃、按預(yù)算打造具有所需性能和使用壽命的產(chǎn)品或系統(tǒng)。
丹納赫工業(yè)技術(shù)集團(tuán)旗下Hengstler和Dynapar品牌，擁有50多年的編碼器和電機(jī)反饋設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)，可提供全球最廣泛的運(yùn)動(dòng)反饋控制編碼器、旋轉(zhuǎn)
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