许多小型电机应用,如机器人、工业设备和消费产品,采用数字增量编码器反馈传感。因此,编码器的选择是系统设计过程中的一个重要部分。为这项工作选择最好的编码器需要了解最重要的编码器属性以及应用程序的控制需求。

典型的需求是什么?

图1所示。数字增量编码器的信号。计数状态变化(通道A和B的信号边缘)的结果比一个编码器通道上每回合计数的数量高4倍的分辨率。

每个应用程序都是不同的;例如,主要任务可能是位置控制或速度控制。速度或位置控制的精度水平可能有很大不同,应该在选择编码器之前定义。低速(低于100转/分)的速度控制需要比高速(1000转/分以上)的速度控制更好的反馈。

负载可以直接耦合到电动机上,或者可以有机械变换系统,例如齿轮头或螺钉。编码器通常安装在电机轴上,但也可以在负载本身上。变换机制的力学性能影响编码器选择,因为必须考虑齿轮减速和机械游戏。

环境条件,如温度、振动和电磁干扰也可能影响编码器的选择。例如,光学编码器应防灰尘。磁编码器可能对外部磁场(包括电机的磁场)很敏感,可能需要屏蔽。

增量编码器的关键属性是什么?

增量式编码器的特征参数是每电机转数矩形脉冲数。通常,有两个通道提供相同的脉冲数。这两个信号的相对相移为四分之一脉冲长度。这种安排允许检测电机旋转的方向,并给出四个不同的状态每个脉冲。有时这些状态被称为四次计数。它们代表了真实的分辨率,比一个通道上的脉冲数高4倍(图1)。一个拥有1000 CPT(每回合计数或脉冲)的编码器每回合给出4000个状态,或者名义上的分辨率为360°/4000 = 0.09°。

图2。256 CPT磁插补编码器的非线性测量实例。从完美位置的偏差显示为编码器信号(1024个四次计数)的函数。

编码器的分辨率范围很广,从一个非常简单的1 CPT(或4状态)编码器,可以简单地用于检测运动,高达几个10,000 CPT,以实现高度准确的位置或速度反馈。影响分辨率的因素有很多,包括基本的物理原理(光、磁、感应)、主要信号类型(模拟或数字)、信号处理(如插补)和机械布局。

编码器有多精确?

分辨率-状态数-给出标称精度;位置在一个状态的误差内是已知的。然而,编码器脉冲长度可能由于机械公差(例如轴跳动和磁极长度)而变化。电机旋转的一个范围内的脉冲可能比其他范围内的脉冲短。因此,测量的位置偏离实际位置在一个周期的方式超过一个电机旋转(图2)。

最大偏差(峰对峰)称为积分非线性(INL)。INL在要求绝对位置精度的应用中非常重要。可重复性不受INL的影响,而是一个信号抖动的问题,通常小于一个状态。

增量编码器和绝对位置

增量编码器提供位置变化。对于绝对定位,必须首先建立一个参考或家乡的位置。这是通过将机构移动到一个外部参考来实现的,该参考可以是一个机械止动或限位开关。

图3。通过向索引信道信号的边缘额外移动来提高参考位置的精度。

有些编码器有第三个通道,每转一个脉冲。这个索引通道的边缘提供了一个回合内的绝对位置参考(图3)。外部参考有限的精度可以通过一个额外的移动到索引通道的边缘来提高。然而,指数渠道并不是定位的先决条件。事实上,机器制造商尽量避免使用索引作为参考,因为它需要新的校准,如果一个电机编码器单位必须更换。此外,一些控制器使用指数通道来交叉检查编码器信号和监督每回合的编码器计数。

发送信号时要注意什么

线路驱动器推荐用于长线传输和更好的信号质量。对于定位,线驱动器是重要的,以避免错过编码器脉冲。

线路驱动程序为每个通道(a,b,i)生成反相信号(a,b,i)。每个信号对一起发送,并评估差异,从而在信号传输期间滤除任何电磁干扰。作为一种有益的副作用,信号质量得到改善,信号边缘更清晰地定义,并且驾驶员功能使得信号在较长的距离(最多约30μm)上的信号传输。

编码器需要一个最小的电源电压。在较长的编码器线路上,线路电阻和相应的电压降可能是一个问题。这就是为什么检查电缆横截面和供电电压很重要。

环境条件和稳健性

编码器的标准工作温度范围为-30°C至+ 100°C。这涵盖了电动机产生的大部分应用和热量。在具有强大振动和机械冲击的应用中,强大的机械壳体和电缆的良好应变浮雕非常重要。

光学编码器对电磁干扰不太敏感,而磁编码器需要对杂散磁场有良好的屏蔽。如果外壳密封不严密,光编码器对灰尘很敏感。

位置和速度控制

以下基本规则可用于选择编码器的定位和速度控制应用:

规则1:编码器的定位-一个很好的建议是选择一个编码器的脉冲数高于360°除以所需的角位置精度;换句话说,很多州的温度是原来的4到10倍。要定位,请选择带线路驱动器(差分信号)的编码器。

规则2:高精度定位编码器-选择带线驱动器的光学编码器进行高精度定位。与内插式磁编码器相比,它们具有更高的分辨率、更少的抖动和更低的INL。

规则3:用于机械定位的编码器-选择带有线驱动器和中或低状态数的磁编码器。机械还原会增加分辨率。由于机械的发挥,该系统将不能受益于高精度的光学编码器。

规则4:编码器高速控制(> 500 RPM) -选择一个中等或低状态数和一个足够高的最高转速额定编码器。通常不需要高精度的光学编码器。对于大多数应用程序来说,一个很好的经验法则是(以RPM表示的速度)×(以CPT表示的编码器分辨率)> 100,000。

规则5:编码器用于低速控制(< 100rpm) -选择一个高或非常高的状态数与快速控制器结合的编码器。

这篇文章是由乌尔斯卡弗德,培训在马克森精密电机,萨克森,瑞士。有关详细信息,请单击在这里

要查看本文的第二部分,该部分详细介绍了位置和速度控制的编码器选择,请转到www.ivansarmy.com/encoder_selection


运动设计杂志

本文首先出现在2017年2月的问题运动设计杂志。

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