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干貨 | 編碼器功能及應(yīng)用淺析

編碼器簡(jiǎn)介及分類

編碼器（encoder）是將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前者稱為碼盤(pán)，后者稱為碼尺。編碼器是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最重要的組成成分之一，編碼器的品質(zhì)和精度直接決定伺服系統(tǒng)的品質(zhì)與精度。

編碼器按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類。

1.1增量式編碼器

增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。

增量編碼器的典型光路結(jié)構(gòu)圖

紅外發(fā)光管通過(guò)透鏡把發(fā)散的光變成平行單一方向的光，向碼盤(pán)垂直照射過(guò)去。

碼盤(pán)鍍上了擋光材料，同時(shí)沿碼盤(pán)一周均勻刻畫(huà)出N條通光窗口，即碼道。若碼盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)一圈，將產(chǎn)生N次的通光和遮光。

把受碼盤(pán)調(diào)制的光垂直照射到感光元件—光電池上，光電池受光會(huì)產(chǎn)生電流，遮光則沒(méi)有電流。把電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，若碼盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)一圈，將產(chǎn)生N次的高低電平，即脈沖信號(hào)。

由于碼盤(pán)跟隨電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)即可求得位置的增量信息或者求得單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。

1.2 絕對(duì)值式編碼器

絕對(duì)編碼器因其通過(guò)機(jī)械位置決定的每個(gè)位置是唯一的，無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)可靠性都會(huì)有所提高。

絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。

絕對(duì)編碼器光碼盤(pán)上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線….編排，在編碼器的每一個(gè)位置，通過(guò)讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對(duì)編碼器。

n位絕對(duì)編碼器又可以分為單圈絕對(duì)值編碼器與多圈絕對(duì)值編碼器。

單圈絕對(duì)值編碼器：只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測(cè)量，轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)360度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，稱為單圈絕對(duì)值編碼器。

這樣的編碼器是由碼盤(pán)的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響在轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光電碼盤(pán)各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)360度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對(duì)編碼唯一的原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測(cè)量，碼盤(pán)上的每一個(gè)位置都有唯一的編碼，每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，這稱為單圈絕對(duì)值編碼器。

多圈絕對(duì)值編碼器：在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍，這樣的絕對(duì)編碼器就稱為多圈式絕對(duì)編碼器。

如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度范圍，就要用到多圈絕對(duì)式編碼器。編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)另一組碼盤(pán)（或多組齒輪，多組碼盤(pán)），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍，它同樣由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無(wú)需記憶。

各編碼器優(yōu)劣勢(shì)分析

2.1 增量編碼器和絕對(duì)值編碼器的差異以及優(yōu)劣

增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90度，從而可方便的判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息，存在零點(diǎn)累計(jì)誤差，抗干擾較差，接收設(shè)備的停機(jī)需斷電記憶，開(kāi)機(jī)應(yīng)找零或參考位等問(wèn)題。

絕對(duì)式編碼器是直接輸出數(shù)字的傳感器，在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼盤(pán)，每條道上有透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)樹(shù)木是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件，當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀取一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。絕對(duì)值編碼器可以在任何時(shí)刻，尤其是在剛上電的時(shí)刻，就能感知當(dāng)前的絕對(duì)角位置。

2.2 多圈絕對(duì)值編碼器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

多圈絕對(duì)值編碼器是在單圈編碼器的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，可以感知編碼器自使用之日起已經(jīng)轉(zhuǎn)過(guò)了多少角度。多圈編碼器的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多，這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn)，從而大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試難度。

多圈絕對(duì)值編碼器的缺點(diǎn)在于相比于單圈絕對(duì)值和增量式編碼器價(jià)格上較為昂貴。

雷賽伺服多圈絕對(duì)值編碼器的使用要點(diǎn)

3.1 多圈絕對(duì)值的使用說(shuō)明

雷賽交流伺服的多圈絕對(duì)值功能是驅(qū)動(dòng)器利用多圈絕對(duì)值編碼器對(duì)電機(jī)的位置進(jìn)行記憶，來(lái)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置掉電不丟失的功能；接通電源時(shí)上位機(jī)無(wú)需進(jìn)行回零操作，即可直接進(jìn)行運(yùn)動(dòng)操作，該類產(chǎn)品廣泛用于機(jī)械手、機(jī)床等行業(yè)。

第一次使用絕對(duì)值電機(jī)時(shí)，需要機(jī)械移動(dòng)到原點(diǎn)位置（手動(dòng)回零），并通過(guò)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)Pr0.15進(jìn)行多圈絕對(duì)位置清零，此時(shí)實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)位置標(biāo)定，以后無(wú)需再進(jìn)行回零（除絕對(duì)值報(bào)警等情況外）。

參數(shù)Pr0.15	功能
0	關(guān)閉多圈絕對(duì)值功能，多圈位置無(wú)效
1	開(kāi)啟多圈絕對(duì)值功能
5	清除多圈報(bào)警，并開(kāi)啟多圈絕對(duì)值功能。
9	多圈位置清零且復(fù)位多圈報(bào)警，并開(kāi)啟多圈絕對(duì)值功能

3.2 多圈絕對(duì)值的讀取方式

絕對(duì)值的讀取方式有三種：面板顯示、RS232和RS485；

a）面板顯示直接通過(guò)驅(qū)動(dòng)器面板D21、D22即可查看單圈位置和多圈位置；

b）RS232和RS485，這兩種讀取方式類似，分別通過(guò)對(duì)參數(shù)P0.15 的RS485地址和RS232的地址讀操作來(lái)讀取單圈位置和多圈位置。

3.3 清除多圈報(bào)警及多圈位置清零

a）清除多圈報(bào)警

清除報(bào)警一般可以通過(guò)面板操作、RS485和RS232操作；

通過(guò)對(duì)參數(shù)P0.15 的RS485地址和RS232地址通信寫(xiě)5操作清除報(bào)警，確認(rèn)后，讀取Pr0.15界面多圈位置清零成功，數(shù)據(jù)為1；不成功，數(shù)據(jù)仍為5。

b）多圈位置清零及回零

多圈位置清零同樣可以通過(guò)面板操作、RS485、RS232操作

多圈位置清零前，機(jī)械需要回歸原點(diǎn)，執(zhí)行多圈位置清零后，多圈位置=0，單圈位置不變，并且清除編碼器絕對(duì)值報(bào)警。機(jī)械回歸原點(diǎn)的范圍是電機(jī)一圈的范圍，在該范圍內(nèi)都以該圈的單圈零點(diǎn)作為絕對(duì)值的原點(diǎn)，因此必須保證機(jī)械原點(diǎn)安裝的偏差范圍在電機(jī)的單圈范圍內(nèi)，回歸原點(diǎn)時(shí)可結(jié)合驅(qū)動(dòng)器面板"D21 單圈數(shù)值"來(lái)調(diào)節(jié)位置。