许多小型电机应用,如机器人、工业设备和消费品,都采用数字增量编码器进行反馈传感。因此,编码器的选择是系统设计过程中的一个重要部分。为工作选择最佳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要求。

典型的要求是什么?

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。

每个应用程序都是不同的;例如,主要任务可能是位置控制或速度控制。在速度或位置控制的精度水平可能是非常不同的,应该在编码器选择之前定义。低速(低于100转/分钟)的速度控制需要比高速(1000转/分钟以上)的速度控制更好的反馈。

负载可以直接耦合到电机上,或者可以有一个机械转换系统,如齿轮头或螺丝。编码器通常安装在电机轴上,但也可以安装在负载上。变换机构的机械性能影响编码器的选择,因为必须考虑齿轮减速和机械作用。

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?

增量式编码器的特征参数是每电机转数的矩形脉冲数。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是一个脉冲长度的四分之一。这种安排允许检测电机旋转的方向,并为每个脉冲提供四种不同的状态。有时这些状态被称为四次计数。它们代表了真正的分辨率,比一个通道上的脉冲数量高4倍(图1)。一个具有1,000 CPT(每轮计数或脉冲)的编码器每轮给出4,000个状态,或360°/4000 = 0.09°的名义分辨率。

图2。256 CPT磁插补编码器的非线性测量实例。与理想位置的偏差显示为编码器信号的函数(1024次四次计数)。

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。通过对索引信道信号边缘的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。

发射信号时要注意什么

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。

线路驱动器对每个通道(A, B, I)产生反向信号(A, B, I)。每个信号对一起传输,并评估其差值,从而滤除信号传输过程中的任何电磁干扰。作为一个有利的副作用,信号质量得到了改善,信号边缘更加清晰,驱动功能使信号可以传输更远的距离(高达30米左右)。

编码器需要最低供电电压。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截面和电源电压很重要的原因。

环境条件和稳健性

编码器的标准工作温度范围为-30℃~ +100℃。这涵盖了电机产生的大部分应用和热量。在强振动和机械冲击的应用中,一个坚固的机械外壳和良好的应变缓解电缆是重要的。

光学编码器对电磁干扰的敏感性较低,而磁编码器需要良好的屏蔽杂散场。如果外壳密封不严密,光电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定位和速度控制应用:

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:高精度定位编码器-选择带有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:机械定位用编码器-选择带有线驱动器和中等或低状态数的磁性编码器。机械缩小会增加分辨率。由于机械作用,系统将无法受益于高精度光学编码器。

规则4:高速控制编码器(> 500 RPM) -选择一个中等或低数量的状态和足够高的最大转速额定值的编码器。通常不需要高精度的光学编码器。通常适用于大多数应用程序的一个很好的经验法则是(转速(RPM)) ×(编码器分辨率(CPT)) > 100,000。

规则5:低速控制编码器(< 100 RPM) -选择一个编码器与快速控制器的高或非常高的状态数。

本文由瑞士萨克塞尔恩maxon精密电机培训主管Urs Kafader撰写。有关更多信息,请单击在这里

要查看本文的第二部分,它将更详细地介绍位置和速度控制的编码器选择,请参阅www.iota-beta.com/encoder_selection


运动设计杂志

本文首次发表于2017年2月号运动设计杂志。

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