光电编码器的原理及应用...ppt

光电编码器的原理及应用 邯钢冷轧厂 光电编码器的定义 光电编码器是利用光电效应原理 将角度 位置 转速等物理量转化为电气信号并加以输出的一种传感器 光电编码器在工业控制和自动化领域应用非常广泛 适用于测量的物理量有 速度 长度 角度 位置 光电编码器的分类 按测量方式的分类 旋转编码器直尺编码器旋转编码器 通过测量被测物体的旋转角度并将测量到的旋转角度转化为脉冲电信号输出 直尺编码器 通过测量被测物体的直线行程长度并将测量到的行程长度转化为脉冲电信号输出按编码方式的分类 绝对式编码器增量式编码器混合式编码器注 混合式绝对值编码器 它输出两组信息 一组信息用于带有绝对信息功能 另一组则完全同增量式编码器的输出信息 增量式旋转编码器 增量式旋转编码器用光信号扫描码盘 码与转动轴相联 通过检测 统计信号的通断数量来计算旋转角度 工作原理 光学编码器由一个中心有轴的光电码盘 其上有环形通 暗的刻线 当圆盘旋转一个节距时 在发光元件照射下 光敏元件得到A B信号为具有90度相位差的正弦波 这组信号经放大器放大与整形 得到的输出方波 A相比B相超前90度 其电压幅值一般为5V 当A相超前前B相时为正方向旋转 若B相超前A相时即为负方向旋转 利用A相与B相的相位关系可以判别编码器的的正转与反转 Z相产生的脉冲为基准脉冲 又称零点脉冲 它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲 可获得编码器的零位参考位 工作原理图 编码器码盘的材料有玻璃 金属 塑料 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 其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级 塑料码盘是经济型的 其成本低 但精度 热稳定性 寿命均要差一些 分辨率 编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率 也称解析分度 或直接称多少线 一般在每转分度5 10000线 增量型旋转编码器的输出 信号输出 信号输出有正弦波 电流或电压 方波 TTL HTL 集电极开路 PNP NPN 推拉式多种形式 其中TTL为长线差分驱动 对称A A B B Z Z HTL也称推拉式 推挽式输出 编码器的信号接收设备接口应与编码器对应 倍频原理 对于方波信号 A B两相相差90度相 1 4T 这样 在0度相位角 90度 180度 270度相位角 这四个位置有上升沿和下降沿 这样 实际上在1 4T方波周期就可以有角度变化的判断 这样1 4的T周期就是最小测量步距 通过电路对于这些上升沿与下降沿的判断 可以4倍于PPR读取角度的变化 这就是方波的四倍频 这种判断 也可以用逻辑来做 0代表低 1代表高 A B两相在一个周期内变化是00 01 11 10 这种判断不仅可以4倍频 还可以判断旋转方向 辩相原理 增量式光电编码器输出两路相位相差90o的脉冲信号A和B 当电机正转时 脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90o 此时逻辑电路处理后可形成高电平的方向信号Dir 当电机反转时 脉冲信号A的相位滞后脉冲信号B的相位90o 此时逻辑电路处理后的方向信号Dir为低电平 因此根据超前与滞后的关系可以确定电机的转向 其转速辩相的原理如下图所示 各输出形式的特点 单通道连接 用于单方向计数 单方向测速 不适用于变频器反转 A B通道连接 用于正反向计数 判断正反向和测速 A B Z通道连接 用于带参考位修正的位置测量 A A B B Z Z 连接 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 衰减较少 抗干扰最佳 可传输较远的距离 对于TTL的带有对称负信号输出的编码器 采用匹配电缆信号传输距离可达150米 对于HTL的带有对称负信号输出的编码器 采用匹配电缆信号传输距离可达300米 增量式旋转编码器的特点 编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号 通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度 因此编码器输出的位置数据是相对的由于采用固定脉冲信号 因此旋转角度的起始位可以任意设定由于采用相对编码 因此掉电后旋转角度数据会丢失需要重新复位 注 旋转增量值编码器以转动时输出脉冲 通过计数设备来计算其位置 当编码器不动或停电时 依靠计数设备的内部记忆来记住位置 这样 当停电后 编码器不能有任何的移动 当来电工作时 编码器输出脉冲过程中 也可能有干扰而丢失脉冲 不然 计数设备计算并记忆的零点就会偏移 而且这种偏移的量是无从知道的 只有错误的结果出现后才能知道 解决的方法是增加参考点 编码器每经过参考点 将参考位置修正进计数设备的记忆位置 在参考点以前 但不能保证位置的准确性的 在工控中就有每次操作先找参考点 开机找零等方法 这样的方法对有些工控项目比较麻烦 甚至不允许开机找零 开机后就要知道准确位置 有一些工况也不允许使用中因干扰影响而产生位置错误 于是就有了绝对值编码器的出现 绝对式旋转编码器 用光信号扫描分度盘 分度盘与传动轴相联 上的格雷码或二进制码刻度盘以确定被测物的绝对位置值 然后将检测到的格雷码或二进制码数据转换为电信号以脉冲的形式输出测量的位移量 绝对式旋转编码器的原理图 组成 由安装在旋转轴上的编码圆盘 码盘 窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成 原理 码盘由光学玻璃制成 其上刻有许多同心码道 每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分 即亮区和暗区 当光源将光投射在码盘上时 转动码盘 通过亮区的光线经窄缝后 由光敏元件接收 光敏元件的排列与码道一一对应 对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号 前者为 1 后者为 0 当码盘旋至不同位置时 光敏元件输出信号的组合 反映出按一定规律编码的数字量 代表了码盘轴的角位移大小 绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线 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 这样的编码器是由光电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是唯一的 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 编码器的抗干扰特性 数据的可靠性大大提高了 旋转单圈绝对值编码器 以转动中测量光电码盘各道刻线 以获取唯一的编码 当转动超过360度时 编码又回到原点 这样就不符合绝对编码唯一的原则 这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量 称为单圈绝对值编码器 如果要测量旋转超过360度范围 就要用到多圈绝对值编码器 单圈原理图 绝对位置从码盘上读取在码盘上 每一位对应一个码道每个数位编码器对应一个输出电路每一个通道都包含一个光源的接收器每圈 360 读数完成后 将重复读数输出 对于多转绝对值旋转编码器 编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理 当中心码盘旋转时 通过齿轮传动另一组码盘 或多组齿轮 多组码盘 在单圈编码的基础上再增加圈数的编码 以扩大编码器的测量范围 这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器 它同样是由机械位置确定编码 每个位置编码唯一不重复 而无需记忆 多圈编码器另一个优点是由于测量范围大 实际使用往往富裕较多 这样在安装时不必要费劲找零点 将某一中间位置作为起始点就可以了 而大大简化了安装调试难度 码盘按其所用码制可分为二进制码 循环码 BCD码等 码制转换 采用二进制编码器时 任何微小的制作误差 都可能造成读数的粗误差 这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时 所有比它低的各位数码均需同时改变 为了消除粗误差 可用循环码代替二进制码 循环码是一种无权码 从任何数变到相邻数时 仅有一位数码发生变化 如果任一码道刻划有误差 只要误差不太大 且只可能有一个码道出现读数误差 产生的误差最多等于最低位的一个比特 以6位二进制码盘例 对于6位二进制码盘 最内圈码盘一半透光 一半不透光 最外圈一共分成26 64个黑白间隔 每一个角度方位对应于不同的编码 例如零位对应于000000 全黑 第23个方位对应于010111 这样在测量时 只要根据码盘的起始和终止位置 就可以确定角位移 而与转动的中间过程无关 一个n位二进制码盘的最小分辨率 即能分辨的角度为 360 2n 一个6位二进制码盘 其最小分辨的角度 5 6 对于n位循环码码盘 与二进制码一样 具有2n种不同编码 最小分辨率 360 2n 绝对值旋转编码器的输出 绝对值编码器信号输出有并行输出 串行输出 总线型输出等 单圈低位数的编码器一般用并行信号输出 而高位数的和多圈的编码器输出信号不用并行信号 并行信号连接线多 易错码易损坏 一般为串行或总线型输出 其中串行最常用的是时钟同步串联信号 SSI 总线型最常用的是PROFIBUS DP型 其他的还有DeviceNet CAN CC link等 注 对于现场总线接口要对编码器的参数进行设置可编程的参数有 旋转方向 脉冲数和转数 总分辨率 预置值 诊断模式等 绝对式旋转编码器的特点 在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷码编码 因此编码器输出的位置数据是唯一的因使用机械连接的方式 在掉电时编码器的位置不会改变 上电后立即可以取得当前位置数据检测到的数据为格雷码 因此不存在模拟量信号的检测误差 混合式旋转编码器 用光信号扫描分度盘 分度盘与转动轴相联 通过检测 统计光信号的通断数量来计算旋转角度混合式旋转编码器的特点 同时输出绝对旋转角度编码与相对旋转角度编码具备绝对编码器的旋转角度编码的唯一性与增量编码器的应用灵活性 特点 数字编码 根据旋转角度输出脉冲信号根据旋转脉冲数量可以转换为速度选型 旋转一周对应的脉冲数 256 512 1024 2048 输出信号类型 TTL HTL push pullmode 电压类型 5V 24V 最大分辨率优点 分辨能力强 测量范围大 适应大多数情况缺点 断电后丢失位置信号 技术专有 兼容性较差用途 主要用于测速 增量式编码器综述 特点 数字编码 根据旋转角度输出脉冲信号根据输出的脉冲信号可以转化为速度 选型 单编码盘 多编码盘 测量一个或二个旋转变量 代码 格雷码 BCD码 二进制码 信号传输方式 并口 串口 分辨率 最大旋转速度优点 结构简单 角行程编码 通过旋转轴获得 线性编码 激光远距离测量 掉电不影响编码数据的获得 最大24位编码缺点 比较贵用途 角度控制 定位 测长 绝对式编码器综述 旋转编码器的安装 机械方面 由于编码器属于高精度机电一体化设备 所以编码器轴与用户端输出轴之间需要采用弹性软连接 以避免因用户轴的串动 跳动而造成编码器轴系和码盘的损坏安装时注意允许的轴负载应保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度 0 20mm 与轴线的偏角 1 5 安装时严禁敲击和摔打碰撞 以免损坏轴系和码盘长期使用时 定期检查固定编码器的螺钉是否松动 每季度一次 电气方面 接地线应尽量粗 一般应大于1 5平方编码器的输出线彼此不要搭接 以免损坏输出电路编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电流上 以免损坏输出电路与编码器相连的电机等设备 应接地良好 不要有静电配线时应采用屏蔽电缆开机前 应仔细检查 产品说明书与编码器型号是否相符 接线是否正确长距离传输时 应考虑信号衰减因素 选用具备输出阻抗低 抗干扰能力强的型号 环境方面 编码器是精密仪器 使用时要注意周围有无振源及干扰源不是防漏结构的编码器不要溅上水 油等 必要时要加上防护罩注意环境温度 湿度是否在仪器使用要求范围之内 光电编码器的测速方法 在下图中列出了三种常用的基于光电编码器的测速方法 假定时钟频率为f 光电编码器每转脉冲数为P M1和M2分别是对编码器脉冲和时钟脉冲进行计数的计数值 1 M法 测速通过测量一段固定的时间间隔内的编码器脉冲数来计算转速 适用于高速场合 如图1 a 所示 设在固定时间T内测得的编码器脉冲数为M1 则转速为 2 T法 测速通过测量编码器两个相邻脉冲的时间间隔来计算转速 适用于速度比较低的场合 当转速较高时其准确性较差 由图1 b 可以得到 3 M T法 测速 M T法 则是前两种方法的结合 同时测量一定个数编码器脉冲和产生这些脉冲所花的时间 在整个速度范围内都有较好的准确性 但是对于低速 该方法需要较长的检测时间才能保证结果的准确性 无法满足转速检测系统的快速动态响应指标 由 c 得 变频器与编码器的连接 对于有DRIVE CLIQ口的编码器 可于S120的控制单元CU320的DRIVE CLIQ口直接相连 编码器的使用实例 其内容包括编码器的硬件连接 软件的组态以及程序的实现硬件连接 将编码器接入PROFIBUS网络中 根据物理位置将编码器放在了网络的中 按照下图进行接线连接 软件组态 硬件设备连接完成以后 开始对PROFIBUS DP网络进行组态及设置编码器的从站地址 程序实现 编码器的控制程序主要包括 编码器在主站中的组态器取值范围的设定 编码器的编码值要与机械位置的一一对应 TR ENCODER 功能1 ReadtherawdatavaluefromtheProfibusDPencoderandconverttoaphysicalmeasurementvalue whilstfactoringintheencoderconstant 读取编码器原始数据 转换成带物理含义测量值 2 Calibr