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光电编码器(图解光电编码器的工作原理)

2021-07-30 16:51:28

光电编码器(图解光电编码器的工作原理)

严格来讲,编码器只会告诉你该如何定位,要如何执行,是需要靠数控系统(或者PLC之类控制器)控制伺服或者步进电机来实现定位的,编码器好比人的眼睛,知道电机轴或者负载处于当前某个位置,工业上用的一般是光电类型编码器,下边简单说明一下。

图解光电编码器的工作原理,以及定位功能的实现


1、简单说下编码原理和位置测量

光电编码器是在一个很薄很轻的圆盘子上,通过紧密仪器来腐蚀雕刻了很多条细小的缝,相当于把一个360度,细分成很多等分,比如成1024组,这样每组之间的角度差是360/1024度=0.3515625度。百思特网

图解光电编码器的工作原理,以及定位功能的实现


然后有个精密的发光源,安装在码盘的一面,码盘的另外一面,会有个接收器之类的,使用了光敏电阻这些元件加放大和整形电路组成,这样码盘转动时候,有缝隙的地方会透光过去,接收器会瞬间收到光脉冲,经过电路处理后,输出一个电脉冲信号,这样码盘旋转了一周,会对应输出1024个脉冲,第一个脉冲位置如果是0,第二个脉冲位置就是0.3515625,第三个脉冲位置是0.3515625*2,以此类推,这样只要有仪器能读到脉冲个数,就可以知道码盘对应在什么位置了,如果把编码器安装到电机的轴上,电机轴和码盘是刚性连接,两者的位置关系会一一对应,通过读编码器脉冲,就可以知道电机的轴位置。

图解光电编码器的工作原理,以及定位功能的实现


而电机轴,比如会通过同步带,齿轮,链条等带动一些负载,比如控制丝杆,这样会有个所谓电子齿轮比的关系,电机转一圈,丝杆会前进多少毫米,这样读到了对应编码器上输出多少给脉冲,通过脉冲数就可以反推出当前丝杆的位置。

图解光电编码器的工作原理,以及定位功能的实现


但是编码器是圆的,如果无限制旋转下去,角度会无穷大,所以设计了一种增量型的编码器,转一圈,会输出三组信号ABZ,其中AB是一样的脉冲,比如上边说的一圈有1024个脉冲,AB相脉冲对应一圈内的圆周角度,而且两种脉冲是处于正交状态的,如果是正反转,通过判断AB相脉冲的上升沿和下降沿的先后顺序,就可以知道编码器当前是顺时针还是逆时针方向旋转的。

图解光电编码器的工作原理,以及定位功能的实现


另外有个Z相脉冲,是因为圆周虽然会不停转下去,角度会无穷无尽,但是都是一周一周的重复而已,零相脉冲固定在圆周某个位置,编码器每转一圈,只输出一个零相脉冲,这样如果以Z相脉冲为基准点,这样每次读到这个脉冲时候,系统就清零一次,就可以让角度最大值控制在360以内,相当于一个零基准点了。

图解光电编码器的工作原理,以及定位功能的实现


这样即使系统断掉了,重新上电,只要能找到这个基准点,就可以知道丝杆的初始位置在什么地方了。

图解光电编码器的工作原理,以及定位功能的实现


以上这种定位叫增量坐标系,所以编码器就是增量型编码器,应用比较广泛,因为灵活而且价格便宜。


如果只设备只需要转一圈的,也就是角度在360内的,编码器可以细分精密一点,比如有13位,相当于2^13次方个脉冲一圈,对应着360,这种脉冲数和角度一一对应,不怕系统断电需要重新调整零位,这种编码器叫单圈绝对值编码器。如果负载需要转多圈的,但是这个圈数也不能非常多,比如5圈,相当于5*360=1800,这样脉冲和1800一一对应,这些在一些高档的数控机床上应用比较多,可以知道丝杆或者一些旋转工作的当前精密位置,而且不用担心系统断电归零问题。

图解光电编码器的工作原理,以及定位功能的实现


此外,编码器还有磁电方百思特网式的,比如在码盘上加工了很多个南北间隔的小磁铁,通过霍尔去读小磁铁信号,输出信号,同样经过放大和整形变成了电脉冲,这点和光电编码器是类似的,而且价格会便宜点,可靠性会高,但是精度就比光电要差点。


2、PLC如何通过编码器判断位置

PLC能输入开关量,也就是一高一低的电平电压,而编码器脉冲信号,可以理解一定时间内,用极快的速度完成的一组开关量。但是因为这种开关量的频率太高了,所以PLC的普通I/O口是无法准确读到这些脉冲的个数的,因为PLC工作过程中存在扫描周期,需要每个一段时间才去刷新一下普通I/O口的数据,而编码器的精度太高了,单位时间内输出的脉冲个数太多,普通I/O是无法胜任的。

图解光电编码器的工作原理,以及定位功能的实现


一般PLC会设计有高速计数端口,本质是利用百思特网了底层单片机的硬件逻辑来完成这些编码器计数的,避开了扫描周期问题,PLC都设计有专门的高速计数指令,使用的时候,直接调用这些指令就可以读到当前的脉冲值了。

图解光电编码器的工作原理,以及定位功能的实现


但是脉冲的计算和输出上,由于扫描周期存在,往往也会存在着滞后影响,如果用来控制一些执行机构,比如气缸来动作裁切动作,这样要考虑提前量的补偿问题。

图解光电编码器的工作原理,以及定位功能的实现


提醒一下,如果想用PLC来控制伺服或者步进系统,往往并不需要通过编码器反馈来判断位置,通过一些PLS指令之类的来发出位置脉冲给伺服驱动器,位置环在伺服驱动器内部构成就好,而PLC这边只是一个指令机构,并没有构成位置闭环,当然如果是专门定位模块控制,使用了NC之类的控制方式,是可以在里边构建位置闭环的。


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