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进行反馈感测。因此,编码器选择是系统设计过程的重要组成部分。为工作选择最佳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要求。

典型要求是什么?

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)的结果是四倍高的分辨率,每回合计数在一个编码器通道。

每个应用程序都不同;例如,主要任务可以是位置控制或速度控制。速度或位置控制的精度水平可能非常不同,并且应在编码器选择之前定义。低速(低于100 rpm)的速度控制需要比高速控制(1,000 rpm及更高版本)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、振动和电磁干扰也会影响编码器的选择。例如,光学编码器应该防止灰尘。磁编码器可能对外部磁场(包括电机的磁场)敏感,可能需要屏蔽。

增量编码器的关键特性是什么?

增量编码器的特征参数是每个电机旋转的矩形脉冲的数量。通常,有两个传送相同的脉冲数。两个信号具有四分之一脉冲长度的相对相位偏移。这种布置允许检测电动机旋转方向,并给出每个脉冲的四个不同状态。有时这些状态称为Quadcounts。它们代表了真正的分辨率,它比一个通道上的脉冲数高四倍(图1)。具有1,000个CPT的编码器(每回合的计数或脉冲),每个转弯提供4,000个状态,或标称分辨率为360°/ 4000 = 0.09°。

图2.具有256个CPT的磁插入编码器的测量非线性的示例。与完美邮政的偏差显示为编码器信号(1,024 Quadcounts)的函数。

编码器的分辨率跨度很广,从一个非常简单的1 CPT(或4个状态)编码器,可以简单地用于检测运动,多达10,000 CPT的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(例如插补)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范围内是已知的。然而,编码器脉冲长度可能会因机械公差而变化(例如轴跳动和磁极长度)。在一个电机旋转范围内的脉冲可能比其他范围内的脉冲短。因此,测量的位置在一个电机旋转周期内偏离实际位置(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很重要。重复性不受INL的影响,而是一个信号抖动的问题,通常等于小于一个状态。

增量编码器和绝对位置

增量编码器给出位置变化。对于绝对定位,必须首先建立一个参考位置或主位置。这是通过移动机构到一个外部参考,可能是一个机械终端停止或限制开关。

图3.通过额外移动到索引信道信号的边缘提高参考位置的精度。

有些编码器有第三个通道,每轮一个脉冲。这个索引通道的边缘给出了一圈内的绝对位置参考(图3)。外部参考的有限精度可以通过额外移动到索引通道的一个边缘来提高。但是,指数渠道并不是定位的前提。事实上,机器制造商尽量避免使用索引作为参考,因为如果一个电机编码器单元必须更换,它需要新的校准。此外,一些控制器使用索引通道交叉检查编码器信号和监督编码器计数每轮。

传输信号时观察到了什么

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

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。

编码器需要最小电源电压。在长编码器线上,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电源电压很重要。

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。

虽然光学编码器对电磁干扰的敏感性不太敏感,但是磁性编码器需要对磁场场的良好屏蔽。如果外壳未密封,则光学编码器对灰尘敏感。

位置和速度控制

选择用于定位和速度控制应用的编码器时,可以使用以下基本规则:

规则1:用于定位的编码器——一个很好的建议是选择一个具有大于360°脉冲数除以所需角位置精度的编码器;换句话说,这些州的数量是它们的四到十倍。对于定位,选择带有线驱动器(差分信号)的编码器。

规则2:用于高精度定位的编码器 - 选择带有线驱动器的光学编码器,用于高精度定位。它们具有更高的分辨率,更少的抖动和比内插磁性编码器更低的INL。

规则3:用于使用力学定位的编码器 - 选择带有线驱动程序的磁编码器,并具有中等或低数量的状态。机械减少将增加分辨率。由于机械播放,系统将无法受益于高精度光学编码器。

规则4:用于高速控制(> 500 rpm)的编码器 - 选择具有中等或低数量的编码器,最高的最大速度额定值。通常不需要高精度的光学编码器。通常对大多数应用程序通常足够的拇指是(速度以RPM)×(CPT中的编码器分辨率)> 100,000。

规则5:用于低速控制(<100 RPM)的编码器 - 选择具有高或非常大的状态的编码器,与快速控制器组合。

这篇文章是由萨森精密电机,Sachseln,瑞士萨森精密电机培训负责人撰写的。有关更多信息,请单击这里

要查看本文的第二部分,其涵盖了编码器选择的位置和速度控制更详细,请转至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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