编码器类型原理知识汇总(增量式/绝对式/绝对值)

编码器以信号原理来分,有增量式编码器(SPC)和绝对式编码器(APC)。
绝对式编码器可以记录编码器在一个绝对坐标系上的位置,而增量式编码器可以输出编码器从预定义的起始位置发生的增量变化。
增量式编码器需要使用额外的电子设备(通常是PLC、计数器或变频器)以进行脉冲计数,并将脉冲数据转换为速度或运动数据,
而绝对式编码器可产生能够识别绝对位置的数字信号。
综上所述,增量式编码器通常更适用于低性能的简单应用,而绝对式编码器则是更为复杂的关键应用的最佳选择–这些应用具有更高的速度和位置控制要求。

增量式编码器
增量式编码器只能记住自己走了多少步,当然会有一个原点。在开机第一次走过原点以前,它是不知道自己的位置在什么地方。
增量型编码器存在零点累计误差,抗干扰较差,接收设备的停机需断电记忆,开机应找零或参考位等问题,这些问题如选用绝对型编码器可以解决。增量型编码器的一般应用:测速,测转动方向,测移动角度、距离(相对)。
增量式编码器是将位移转换成周期性电信号,再把电信号转换成计数脉冲,用脉冲的个数表示位移的大小。
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增量式编码器是由**光栅盘(又叫分度码盘)和光电检测装置(又叫接收器)**组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光栅盘与电机同轴,电机旋转时,光栅盘与电机同速旋转,发光二极管垂直照射光栅盘,把光栅盘图像投射到由光敏元件构成的光电检测装置(接收器)上,光栅盘转动所产生的光变化经转换后以相应的脉冲信号的变化输出。

编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料等。
玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线,其热稳定性好,精度高。
金属码盘直接以通和不通刻线,不易碎,但由于金属有一定的厚度,精度就有限制,其热稳定性也比玻璃的差一个数量级。
塑料码盘成本低廉,但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

1、增量式旋转编码器工作原理
增量式旋转编码器通过两个光敏接收管来转化角度码盘的时序和相位关系,得到角度码盘角度位移量的增加(正方向)或减少(负方向)。
增量式旋转编码器的工作原理如下图所示。
  在这里插入图片描述
图中A、B两点的间距为S2,分别对应两个光敏接收管,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。
当角度码盘匀速转动时,可知输出波形图中的S0:S1:S2比值与实际图的S0:S1:S2比值相同,同理,当角度码盘变速转动时,输出波形图中的S0:S1:S2比值与实际图的S0:S1:S2比值仍相同。
  通过输出波形图可知每个运动周期的时序为:
  在这里插入图片描述
我们把当前的A、B输出值保存起来,与下一个到来的A、B输出值做比较,就可以得出角度码盘转动的方向,
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如果光栅格S0等于S1时,也就是S0和S1弧度夹角相同,且S2等于S0的1/2,那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2,再除以所用的时间,就得到此次角度码盘运动的角速度。
S0等于S1时,且S2等于S0的1/2时,1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度,如果S0不等于S1,S2不等于S0的1/2,那么要1个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度了。
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实际使用的增量式编码器输出三组方波脉冲A、B和Z(有的叫C相)相。A、B两组脉冲相位差90º(一个周期为360°,1/4个周期就是90°,就是所说的A,B相位相差90°),可以判断出旋转方向和旋转速度。而Z相脉冲又叫做零位脉冲(有时也叫索引脉冲),为每转一周输出一个脉冲,Z相脉冲代表零位参考位,通过零位脉冲,可获得编码器的零位参考位,专门用于基准点定位,如下图所示。
  在这里插入图片描述
  
增量式编码器转轴旋转时,有相应的脉冲输出,其计数起点可以任意设定,可实现多圈无限累加和测量。
编码器轴转动一圈会输出固定的脉冲数,脉冲数由编码器码盘上面的光栅的线数所决定,编码器以每旋转360度提供多少通或暗的刻线称为分辨率,也称解析分度、或称作多少线,一般在每转5~10000线,当需要提高分辩率时,可利用90度相位差的A、B两路信号进行倍频或者更换高分辩率编码器。

增量型编码器精度取决于机械和电气的因素,这些因素有:光栅分度误差、光盘偏心、轴承偏心、电子读数装置引入的误差以及光学部分的不精确性,误差存在于任何编码器中。

编码器的信号输出有正弦波(电流或电压)、方波(TTL、HTL)等多种形式。并且都可以用差分驱动方式,含有对称的A+/A-、B+/B-、Z+/Z-三相信号,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为0,信号稳定衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离,例如:对于TTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达150米。对于HTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达300米。
  在这里插入图片描述
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2、增量式编码器的分类
1)单通道增量式编码器内部只有一对光电耦合器,只能产生一个脉冲序列。

2)AB相编码器内部有两对光电耦合器,输出相位差为90°的两组脉冲序列。正转和反转时两路脉冲的超前、滞后关系刚好相反。
需要增加测量的精度时,可以采用4倍频方式,即分别在A、B相波形的上升沿和下降沿计数,分辨率可以提高4倍,但是被测信号的最高频率相应降低。
3)三通道增量式编码器内部除了有双通道增量式编码器的两对光电耦合器外,在脉冲码盘的另外一个通道有1个透光段,每转1圈,输出1个脉冲,该脉冲称为Z相零位脉冲,用做系统清零信号,或坐标的原点,以减少测量的积累误差。

3、编码器的选型
首先根据测量要求选择编码器的类型,增量式编码器每转发出的脉冲数等于它的光栅的线数。在设计时应根据转速测量或定位的度要求,和编码器的转速,来确定编码器的线数。编码器安装在电动机轴上,或安装在减速后的某个转轴上,编码器的转速有很大的区别。还应考虑它发出的脉冲的最高频率是否在计数器允许的范围内。

绝对值编码器
绝对值编码器只要上电就能知道自己现在所处的位置,绝对值编码器需要刻更多的线,成本高性能好,更贵。断电上电后,会记住原先的数值,不用回原点,绝对值相当于有一个CPU。
绝对值编码器的每一个位置对应一个确定的数字码,因此他的示值只与测量的的起始和终止位置有关,而与测量的中间过程无关。

绝对值编码器在机械臂上的运用
首先,让我们先了解一下绝对值编码器,绝对编码器光码盘上有许多道刻线,每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排,这样,在编码器的每一个位置,通过读取每道刻线的通、暗,获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码),这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的,它不受停电、干扰的影响。

**绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性,它无需记忆,无需找参考点,而且不用一直计数,什么时候需要知道位置,什么时候就去读取它的位置。**这样,编码器无需开机找零,抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。另外,绝对值编码器无需判定方向、累计计数,可直接读数,其响应也较增量的快。

一般来说,每一维的机械手臂位置信息的反馈,都需要绝对值编码器提供反馈。高精度机械手臂的应用中,比如半导体自动化的机械手臂,最高可提供高达30位的多圈位置信息,为机械手臂的精确控制提供必要的反馈信息。能检测出每分钟12,000转的运动信息,反应非常灵敏;可以通过读取的位置信息,计算得到机械手臂的运动速度等参数。对于多维机械手臂的运动位置,绝对值编码器上电时可以由主控制器读取,这对于增量式的编码器有很大的优势。

对于机械手臂的设计要求高精度,高灵敏度,小尺寸,模块化设计,让绝对值编码器能更好的应用于其中。
在多圈光电绝对值编码器应用中,由于其位置信息不需要电池供电或其他的储存,在系统上电后便能方便的读取,这些优点是增量编码器所不能比拟的。绝对值编码器高精度,高灵敏度,快速反应,能很好的应用在闸门开度控制、机械手臂、高精度位置控制部件中。

绝对值编码器常见故障
第一,编码器本身出现故障,这种情况一般都是说设备本身的元器件出现问题,导致设备不能产生和输出正确的波形。解决故障最简单最好的方法就是直接更换编码器或者是维修内部的器件。

第二,编码器所连接的电缆出现故障,这是出现几率最高的一种故障,在维修的时候也会经常遇到这样的现象,所以很多用户发现设备出现故障,会第一时间考虑到这个因素。有可能是接触不良、电缆断路等等问题,用户可以直接更换一个电缆或者是接头,还要注意一下是不是电缆不定不紧固的原因,每次用之前检查一下。

第三,编码器电源下降,电源太低的原因可能是供电电源出现故障,电源传送电缆阻值比较大引起的,可以检修电源或者是更换电缆,具体的要根据用户的实际情况。

第四,编码器电池电压下降,电压下降说明一定的问题,这个时候需要更换电池。

关于绝对值与绝对式编码器的混淆
绝对值编码器的“绝对”是指数据的唯一、可靠、稳定,而不是停电记忆

针对目前市场上鱼目混珠的绝对值编码器产品,对于编码器 “绝对值” 的概念做出解释,防止用户选择错误的产品,而受骗上当。 旋转编码器是工业中重要的机械位置角度、长度、速度反馈并参与控制的传感器,旋转编码器分增量值编码器、绝对值编码器、绝对值多圈编码器。

从外部接收的设备上讲(如伺服控制器、PLC),增量值是指一种相对的位置信息的变化,从A 点变化到B 点的信号的增加与减少的计算,也称为“相对值”,它需要后续设备的不间断的计数,由于每次的数据并不是独立的,而是依赖于前面的读数,对于前面数据受停电与干扰所产生的误差无法判断,从而造成误差累计;而“绝对式工作模式”是指在设备初始化后,确定一个原点(通过校准标定),以后所有的位置信息是与这个“原点”的绝对位置,它无需后续设备的不间断的计数,而是直接读取当前位置值,对于停电与干扰所可能产生的误差,由于每次读数都是独立不受前面的影响,从而不会造成误差累计,这种称为接收设备的“绝对式”工作模式。

而对于绝对值编码器的内部的“绝对值”的定义,是指编码器内部的所有位置值,在编码器生产出厂后,其量程内所有的位置已经“绝对”地确定在编码器内,在初始化原点后,每一个位置独立并具有唯一性,它的内部及外部每一次数据刷新读取,都不依赖于前次的数据读取,无论是编码器内部还是编码器外部,都不应存在“计数”与前次读数的累加计算,因为这样的数据就不是“独立”“唯一”“量程内所有位置已经预先绝对确立”了,也就不符合“绝对”这个词的含义了。

所以,真正的绝对编码器的定义,是指量程内所有位置的预先与原点位置的绝对对应,其不依赖于内部及外部的计数累加而独立、唯一的绝对编码。

关于“绝对式”编码器的概念的“故意混淆”与认识的误区

关于绝对值编码器,很多人的认识还是停留在“停电”的位置保存这个概念,这个是片面而有局限性的,“绝对值”编码器不仅仅是停电的问题,对于接收设备,真正的“绝对值”的意义在于其数据刷新与读取无论在编码器内部还是外部,每一个位置的独立性、唯一性、不依赖于前次读数的“绝对编码”,对于这个“绝对”的定义市场上还是模糊不清的,为此有些商家就会对于此概念的“故意混淆”:

混淆一:
将接收设备的“绝对式工作模式”与绝对值编码器的“绝对式”的混淆。接收设备的“绝对式”是指接收设备的无需不间断计数累加,所有位置对于设备原点的“绝对”工作模式,事实上这种模式通过增量编码器+自身的计数累加装置+电池记忆,一样可以提供给设备“绝对式”的位置信息,它与绝对值编码器的“绝对编码”完全不是一个概念,它存在计数的误差及累加误差的可能性、计数装置供电故障可能性、高速时计数无法响应等可能性。

混淆二:
将绝对值单圈编码器+内部及外部的计数累加装置与真正意义的绝对值真多圈编码器的混淆。**绝对值单圈+计圈计数装置,它在360 度以内是绝对值的,但是超过360 度以后,它的位置就不是“独立”“唯一”了,**它是依靠内部或外部的计数来判断多少圈内的单圈绝对位置信息的,这种内部或外部的“计数装置”,与增量编码器+计数装置+电池记忆的性质是一样的,任何计数上的误差,或者计数装置工作时电源的瞬间故障,都会造成误差而累计而无法判断,造成欺骗性假绝对化信息。而真正的绝对值多圈编码器,除了360 度内的位置都是绝对唯一的以外,在超过360 度后继续有齿轮机械带动的绝对值码盘,仍然提供“独立”“唯一”、不依赖于前次数据刷新读取累加的绝对编码。实际上从“绝对”这个定义上讲,前面的那种单圈绝对+计数累加装置的“假多圈绝对值编码器”,它就不能再叫“绝对值多圈编码器”了,尽管在360 度以内是绝对的,但是超过360 度的工作量程,就不再是“绝对值编码”了。

关于为什么要强调绝对值编码器的“绝对”概念的定义,其意义在于:

第一、可以为每个轴位置提供一个绝对的码值。 特别是在位置控制中,绝对值编码器无需计数,可以实现直接的内部高速读数与外部输出,此为绝对值编码器的“高速”及“经济”的特征,其可减轻了后续接收设备控制器的计算任务,并且降低了其他附加的输入部件的成本。例如在多轴并行工作的工业机器人,可以实现高速多轴的并行同步工作。以及各种需要多轴同步的控制领域。

第二、无需计数的绝对值编码器在电源启动后或者内部及外部电源故障,不需要参考驱动,在电源正常后即可获得当前的准确位置。 而在各种工业电气环境下的复杂干扰情况下(例如变频器与电机的干扰),由于绝对值编码器其原始的位置信息是绝对的,而不会受干扰的影响。上述特征,决定了这种编码器的安全可靠性特征,可使用在具有安全要求的场合,例如风力发电变桨系统、港口机械同步于定位、起重机械、建筑机械(塔吊)、电梯、工程机械、钢铁冶金、石油化工、水利电力、医疗设备雷达火炮回转装置、太阳能跟踪回转装置等,以及重工业、核工业、汽车制造等领域的大型工业机器人。

第三、在今天,快速可靠的数字化的数据传输已经是绝对值编码器的核心要素之一,工业用的标准的Canopen、Profibus-DP 现场总线,Profinet、Eerthnet 工业以太网,Endat2.2、Hiperface、Biss、专用高速含CRC 数据安全的RS485 等伺服与机器人专用高速数据传输协议,原来用“脉冲”方式发送信息的增量值编码器是无法实现的。此为绝对值编码器的高速总线式特征。

第四、绝对值编码器高位数的分辨率特征,由于无需内部与外部的计数而直接输出数字信号,所以不再受读取“脉冲”及“累加”而在高速中响应速度跟不上的困惑,先进的数字与模拟技术的混合,绝对值编码器已经能够做到高位数分辨率,例如德国绝对值编码器的单圈的25 位(360 度内2 的25 次方分割),这种高分辨率可满足于伺服电机与机器人高速精确定位及最小步距抖动。例如在加速度、加加速度等高位次位置导数的精确计算(运动刚性),机器人手臂前端的最小晃动准确定位等。
综合上述的对于绝对值编码器“绝对”的定义,在具有高速、安全性等特征的应用场合要求下,一定不能使用那种有混淆意义的“绝对编码器”或“假绝对值多圈编码器”,而必须用真正意义上的绝对值编码器或绝对值真多圈编码器,及任何不依赖于计数的(无论内部还是外部,有电池无电池的),所有的位置独立、唯一、绝对,以确保数据的绝对可靠与高速准确性。

编码器一般外接6根线,分别是V+、GND、Data+、Data-、Clock+、Clock-
如果买到绝对式编码器,可以通过外接电池持续供电的方式去解决掉电情况下不能计数的问题
即使是绝对值编码器,在外接减速器的情况下,依然会出现丢圈现象,这是由于绝对值编码器有效范围只有一圈,经过减速之后,编码器要记的值会超过一圈,此时同样可以采用外接电池的方式来解决(减速器输出轴一圈,电机输出轴转多圈)

光电编码器的选购须知要素
第一、选择专业正规的厂家有助于大家购买到优质高效的产品,现在市面上涌现了不少小作坊,推出了一些三无产品,不仅在精度、参数上不符合标准,更加不能确保产品的品质问题,在后期使用过程内频频出现故障问题,导致使用者需要付出大额维修费用,并且耽误生产效率。
  第二、类型和型号的选择,现在光电编码器的种类分为了增量式、混合式以及绝对是三个不同的类别,每个类别都有着自己的优势,并且这类编码器还有着各式各样的型号,每个型号的装置在性能参数上也存在一定的区别。建议大家结合自己的实际需求、辅助使用的电器设备等来进行选择。
  第三、运行使用环境的考虑,因为光电编码器主要是帮助我们进行相关角度测量以及位移测量等,它虽然具备了很强的抗干扰性能,但是在运行环境当中,仍旧存在不少因素对它可以造成影响,这个时候大家就要尽可能的在选型过程内,避免这些问题的发生,比如电流、电压是不是相符、接口开关是不是相符等。
  第四、价格的选择,现在市场当中推出的品牌光电编码器和三无产品价格存在一定的差异,但是大家在购买这类高精密装置的时候,不能一味强调低廉的价格,也不是最贵的就是最好的。性价比的挑选是非常重要的,首先要确保编码器的性能符合自己的要求,其次再考虑价格的高低问题。
  除了以上几点外,该企业的产品质量管理体系、售后服务体系、销售体系等都是大家在选型过程当中应该把握好的几点,只有一个完整的销售体系,才能提供给大家更多选购指导,然而可靠的质量管理体系可以带给大家更多优质的产品,售后服务体系的保障,又可以帮助各位消费者解决很多后顾之忧。

开环/半闭环/闭环
开环:没有检查 机制,走多少送出指令,没有任何对应回馈。
半闭环:有检测机制,但不是作用于最终实物,目前市面10多万的都是这种,他能检测电机的实际运动量但检测不了,机床实际机械运动体,的运动量。也就是说有一部分不在检测范围内。(所以有皮带断了,伺服电机能单独运行,这种情况。如果全闭环皮带断了,电机动,机械体不动,会出现位置超差报警。)
全闭环:就是检测实际运动机构是实际走量。我发出指令,到一个点,这个点实际运动多少,得到检测,高级的还能误差补偿。所有因素都在检测范围内。

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