工業(yè)自動化中使用的不同類型電機編碼器的工作原理詳解

電機編碼器是一種為自動化控制系統(tǒng)或任何需要位置數(shù)據(jù)的包含電機的機器記錄位置數(shù)據(jù)的設(shè)備。從機械臂到3D打印機，它們無處不在。編碼器在使自主機器正常運行方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

一、什么是電機編碼器？

電機編碼器是一種為自動化控制系統(tǒng)或任何需要位置數(shù)據(jù)的包含電機的機器記錄位置數(shù)據(jù)的設(shè)備。從機械臂到3D打印機，它們無處不在。編碼器在使自主機器正常運行方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們允許精確測量系統(tǒng)中的運動部件。

電機編碼器在幾個方面都有好處，例如，線性編碼器通常用于軌道應(yīng)用并允許CNC機器和3D打印機精確地創(chuàng)建零件，而旋轉(zhuǎn)編碼器使機械臂在制造業(yè)中成為可能。它們發(fā)送的信號用于在正確的時刻激活控制器或PLC的不同輸出。

二、電機編碼器如何工作？

編碼器通過基于上述兩種不同系統(tǒng)之一（旋轉(zhuǎn)或線性）向控制設(shè)備提供電氣信息來工作。在編碼器中還有幾種將物理變化轉(zhuǎn)換為電數(shù)據(jù)的機制：電阻、機械、磁和光學，其中光學編碼器是制造中最常見的。光學編碼器包含至少一個光發(fā)送器和一個光接收器，用于將物理運動轉(zhuǎn)換為電信號以供控制器處理。無論采用何種轉(zhuǎn)換方法，編碼器始終是線性編碼器或旋轉(zhuǎn)編碼器。

在光學編碼器中，旋轉(zhuǎn)和線性都使用從固體表面切出的“窗口”，僅允許光以增量方式進入接收單元。線性編碼器使用傳感器來檢測沿著路徑長度的條帶中的不同圖案，而旋轉(zhuǎn)編碼器由一個帶有插槽的圓盤組成，可將信號發(fā)送回控制系統(tǒng)。

在光學系統(tǒng)中，發(fā)送單元發(fā)出一束恒定的光束，隨著系統(tǒng)的移動，光束會逐漸中斷。每當接收單元檢測到來自發(fā)送單元的光時，它就會向控制器發(fā)送一個電信號。根據(jù)應(yīng)用的不同，有各種不同的磁盤或磁道配置來阻擋/接收光。這些包括絕對位置編碼器和增量編碼器。

三、絕對編碼器和增量編碼器：有什么區(qū)別？

絕對式編碼器使用多個光傳感器向控制器發(fā)送二進制代碼。它們具有對應(yīng)于光發(fā)送器/接收器對的不同插槽。對于單圈絕對編碼器，這些插槽創(chuàng)建了一個二進制代碼，可以告訴電機在一轉(zhuǎn)內(nèi)的角位置。

在需要更高精度和更大范圍的應(yīng)用中，多圈編碼器使用齒輪減速器和兩個編碼器盤來實現(xiàn)更大范圍的已知位置。絕對式編碼器更適用于斷電后需要位置數(shù)據(jù)的情況，最常見的是在安全電路中。增量式編碼器具有均勻間隔的槽來向控制器發(fā)送脈沖。這些編碼器依賴于從零位置開始計數(shù)的脈沖，因此在系統(tǒng)因任何原因斷電的情況下，擁有一個已知位置以重新開始計數(shù)非常重要。

在只需要電機速度的情況下，可以將模擬信號發(fā)送到控制器，使其能夠?qū)⒋藬?shù)據(jù)處理為有用的應(yīng)用程序。如果過程需要位置數(shù)據(jù)，則編碼器可以向控制器發(fā)送電脈沖，以破譯電機在其邊界區(qū)域內(nèi)的位置。

四、線性編碼器在哪里使用？

線性編碼器使用傳感器或標尺上的“切口”將電脈沖信號發(fā)送到控制器。這些脈沖信號可以由PLC解密并轉(zhuǎn)換為設(shè)備要遵循的指令。

線性編碼器更適合帶有滑動定位器的應(yīng)用，例如3D打印機或CNC機器。它們非常適用于需要將準確的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鞯倪^程。某些線性編碼器如果不是絕對編碼器，則在斷電或PLC/控制器重啟后需要一個參考位置來找零。

絕對式編碼器使用二進制表示位置，增量式編碼器只能發(fā)送控制器在啟動后計數(shù)的脈沖。當必須重新啟動位置數(shù)據(jù)時，限位開關(guān)或傳感器可用于提供參考點。

基于絕對代碼的線性編碼器能夠在不移動或不使用參考點的情況下找到它們的位置。他們使用來自多個尺度的二進制代碼來確定位置。這為應(yīng)用過程提供了更大的靈活性，并在涉及重啟后安全的領(lǐng)域開辟了更多機會。

五、旋轉(zhuǎn)編碼器的使用

旋轉(zhuǎn)編碼器由一個連接在電機軸上的圓形標尺組成。當電機轉(zhuǎn)動時，讀取秤中圖案的光傳感器將脈沖計數(shù)或二進制代碼發(fā)送到PLC。旋轉(zhuǎn)編碼器在需要電機速度或難以通過電機旋轉(zhuǎn)以外的方式測量距離的應(yīng)用中非常有用，例如在機械臂中的伺服電機中。需要電機速度控制的應(yīng)用使用產(chǎn)生脈沖計數(shù)的增量編碼器來測量電機速度。

編碼器刻度上有一定數(shù)量的槽，PLC會隨著電機轉(zhuǎn)動而計算槽數(shù)。然后可以將其轉(zhuǎn)換為RPM。這可能有用的一個例子是在傳送帶電機上。某些參數(shù)可能需要不同的皮帶速度，PLC可以根據(jù)電機的RPM進行相應(yīng)調(diào)整。它們在精度很重要的應(yīng)用中也很有用，因為它們比絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生更準確的數(shù)據(jù)。盡管它們更準確，但它們無法在不移動的情況下讀取位置，并且在與PLC失去通信后可能需要參考位置。

絕對式編碼器也可用于旋轉(zhuǎn)式電機編碼器。這些更適用于需要角度數(shù)據(jù)的情況。它們還能夠在編碼器和控制器之間失去通信或電源后重新調(diào)用位置，這與需要移動來傳遞數(shù)據(jù)的增量旋轉(zhuǎn)控制不同。

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