旋轉編碼器還可以這樣設計

2020-11-24 電子產品世界

　　智能旋轉換向編碼器提供輸出選項、簡單調零、簡化BOM和基於PC的見解

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/278338.htm

　　新方法開啟新機遇

　　一直以來編碼器用戶都不願意改變，因為一些聲稱可提供卓越性能和可靠性的創新電機控制技術，必須擁有出色的紀錄和往績來作為支持，才可以用於工作場地或工業裝置。雖然光學編碼器和磁編碼器歷史悠久，而且基於看似「更具體」的物理概念，但是電容式編碼器亦是基於經過全面試驗的原理，並且已經通過多年來在現場的成功實際應用中得到證明。這種不同於運動感測的數字式交替方法提供了許多益處，為利用旋轉換向編碼器的設計人員提供了全新的智能水平。

　　旋轉編碼器對於幾乎所有運動-控制應用來說都很關鍵，由於無刷直流電動機(BLDC)使用增加，使得旋轉編碼器的需求進一步擴大，而且提供了控制、精度和效率等方面的諸多益處。編碼器的任務很簡單，原則上就是：向系統控制器指示電機軸的位置，請參考圖1.控制器可以利用這信息準確高效地給電機繞組轉向以及確定速度、方向和加速，這些是運動控制迴路維持電機性能要求所需要的參數。

　　

 

　　圖1 旋轉編碼器提供電機軸方向、位置、速度和加速信息

　　編碼器可以基於各種技術，這些技術提供標準的A和B正交信號數字輸出，某些型號還提供索引輸出，請參考圖2a.換向編碼器(下面將進行更全面的說明)還提供U、V和W換-相的信道輸出，請參考圖2b.

　　

 

　　圖2a 光學編碼器標準A和B正交信號及索引信號

　　

 

　　圖2b 換向編碼器產生的U、V和W波形

　　編碼器技術

　　最著名的三種編碼器方法分別基於光學技術、磁技術或電容技術。簡單來說，光學技術採用帶槽圓盤，一側是LED，而光電電晶體在相對的一側。當圓盤轉動時，光程被阻斷，得到的脈衝指示軸的轉動和方向。雖然光學方法成本低且效率高，但是以下兩個因素使得光學編碼器的可靠性下降：汙垢、灰塵和油脂等汙染物會干擾光程，及LED的使用壽命有限，通常幾年之內其亮度損失過半，最終被燒壞。

　　除了利用磁場而非光束之外，磁編碼器的結構與光學編碼器類似。磁編碼器用磁碟代替帶槽光輪，磁碟在一組磁阻傳感器上轉動，在這些傳感器中產生響應，傳遞給信號-調節前端電路，用於確定軸的位置。雖然這種編碼器的耐用性較高，但是容易受到電機產生的電磁幹擾影響，準確性不如光學編碼器。

　　第三種方法，即電容式編碼方法，具有光學編碼器和磁編碼器的所有優點，但是卻沒有它們的缺點。這種技術利用的原理與成熟、低成本而且精密的數字遊標卡尺相同。它具有兩個柱狀或線狀型式，一個在固定元件上，另一個在運動元件上，兩者一起形成了一個配置為發送器/接收器對的可變電容器，請參考圖3.當編碼器轉動時，一體式ASIC對這些線的變化進行計數，並利用內插法尋找軸的位置和轉動方向，建立標準的正交輸出，以及其它編碼器提供的換向輸出，用於控制無刷直流(BLDC)電機。

　　這種電容式技術的優點是不會磨損，不受工業環境中常見的灰塵、汙垢和油脂等汙染物質的影響，使其本質上比光學編碼器更可靠。電容式編碼器還具有其數字控制特徵帶來的性能優勢，包括調節編碼器解析度的能力(脈衝/轉數)，不需要更換為解析度更高或更低的編碼器。

　　

 

　　圖3 電容式編碼器對收到的與電機軸連接的轉子發送的信號調製脈衝進行計數

　　最佳選擇

　　CUI全新AMT31系列是先進電容式編碼器的典範，提供A和B正交信號、索引信號以及U、V和W換-相的信號。它在48-4096脈衝/轉(PPR)之間具有20個可選遞增解析度，2-20之間共7個電機極-對。AMT31系列還具有鎖定轂，使安裝容易。它從5 V電源軌操作，僅需16 mA供電電流。

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  • 旋轉編碼器原理
    需要提高分辯率時，可利用 90 度相位差的 A、B 兩路信號進行倍頻或更換高分辯率編碼器。2、絕對式編碼器特點：絕對式編碼器有與位置相對應的代瑪輸出，通常為二進位碼或 BCD 碼。從代碼數大小的變化可以判別正反方向和位移所處的位置，絕對零位代碼還可以用於停電位置記憶。絕對式編碼器的測量範圍常規為 0—360 度。
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  • 對旋轉編碼器選型的認識
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  • 旋轉編碼器的編程思路
    當編碼器正向旋轉時，A相比B相超前四分之一個周期;當編碼器反向旋轉時，B相比A相超前四分之一個周期。A相和B相輸出方波的相位差為90°。編碼器每轉一周，Z相輸出一個脈衝。由於編碼器每轉一周，A相和B相輸出固定數目的脈衝，則A相或B相每輸出一個脈衝，表示編碼器旋轉了一個固定的角度。當Z相輸出一個脈衝時，表示編碼器旋轉了一周。因此旋轉編碼器可以測量角位移及位移方向。
  • 旋轉編碼器安裝事項
    9.請避免在旋轉過程中徑向負載導致皮帶輪的震動和偏差.　　10.當編碼器的軸和機器的軸用齒輪聯結時，請避免徑向負載導致齒輪的部分或整體震動.　　11.請不要通過聯軸器，傳送帶和齒輪來敲擊編碼器.　　12.軸的聯結震動應該控制在0.1 T.I.R.
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  • 基於單片機與旋轉編碼器的閉環線速度控制系統
    成纜工藝參數的穩定，直接關係到　　該項目中，採用的旋轉編碼器的型號是TRDJ1000系列因此，根據在一定時間內檢測到的脈衝數，就可以計算出電纜的走線速度。實際應用中，將其與一加工精度極高、周長為500 mm的旋轉編碼器測量主動輪與旋轉編碼器同軸安裝，主動輪與電纜接觸。在電纜生產運動過程中，依靠摩擦力拉動測量輪旋轉，這樣就把電纜的直線位移(長度)轉化為旋轉編碼器的脈衝數位訊號輸出。
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    每個脈衝周期的變化代表了一定角度變化，這樣預先分割角度到每個周期並讀取計數周期變化的方式為「增量編碼」，增量編碼器輸出一般是 A、B、Z 三相信號，A 和 B 的輸出相差 1/4 個周期，正轉是 1/4 相差，而反轉是 3/4 相差，以此可以判斷編碼器的正反轉；Z 相是每圈僅提供一個位置脈衝，以此可以設定零位值。
  • 閉環電機控制:旋轉分解器及編碼器介紹
    參考繞組是一次繞組，其可通過稱之為旋轉變壓器的變壓器，由應用於該變壓器一次側的 AC 電壓勵磁。旋轉變壓器隨後將電壓發送至變壓器的二次側，因此無需電刷或套環。這樣可提升分解器的整體可靠性和穩定性。編碼器與分解器的情況類似，在討論信號鏈實施方案之前，首先要了解編碼器的物理及信號輸出特性。編碼器通常有兩種：線性與旋轉。線性編碼器用於只按一個維度或方向運動的方案，可將線性位置轉換為電子信號，通常與致動器配合使用。旋轉編碼器用於圍繞軸心運動的方案，可將旋轉位置或角度轉化為電子信號。由於旋轉編碼器與電機一起使用(電機圍繞軸心-旋轉)，因此本文不涉及線性編碼器。
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