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一文读懂转动编码器的操纵场景

日期:2019-11-01 00:10 来源: 编码器

  旋转编码器在工程实际应用中,通常有检测自动化系统中电机转速、设备运行位置和行程的作用,按用途可分为测速编码器和行程编码器两种。

  电梯领域——电梯的速度调节和轿厢的位置控制都需要很精准的信号,编码器可以在电梯控制上提供可靠精准的位置信号和速度信号,完成电梯的正常运转;

  矢量电机和伺服电机领域——矢量电机和伺服电机可以在很宽的范围内进行速度、转矩以及位置控制都要依赖电机输出轴上的编码器;

  工程机械领域——大型工程机械对可靠的速度和位置检测的需求越来越高,尤其在重型车辆行业,编码器广泛用于电子转向助力系统、车辆速度检测器以及混合动力汽车;

  工业自动化控制生产线领域——工厂的自动化生产线需要精确的速度和方向信息保证电机正常运行;

  工业机器人领域——机器人的每个关节都需要精确的控制,以保证整个机器人的协调运动或行走,所以每个关节都需要一个编码器进行协调控制。

  石油天然气行业——石油天然气行业是高危行业,需要较高可靠性、较好密封性的高标准编码器,主要用于钻台电机、转台和污泥泵的测速,如加油机上的编码器用于测流量、计量加油量;

  用户在选择电梯时,结构紧凑,高功率密度,免维护和用电效率高的优点正在发挥着重要作用。为了乘客更舒适的感受和不断的提高质量,都需要创新和高效驱动系统,其中包括电机和控制系统。

  这种创新系统的技术基础是提供位置值的反馈系统,这样在控制单元中可以确定电机的实际轴速并使电机线圈在正确相位时换向。

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  旋转编码器就是这种位置反馈单元。在电梯运行过程中,通过旋转编码器检测、软件实时计算以下信号:电梯所在层楼位置、换速点位置、平层点位置,从而进行楼层计数、发出换速信号和平层信号。

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  在电梯应用中,绝对式的旋转编码器优点更为突出。因为这种旋转编码器分辨率高并且用纯串行传输协议(无另外的增量信号)。

  绝对式旋转编码器的每圈有N个位置值并且有很高的精度,为先进和灵敏的驱动控制系统提供所需的分辨率。通过高质量扫描光栅,并在专门开发的ASIC后续电子电路中对扫描信号进行细分,使每圈能提供足够多个可分辨的位置值,它为驱动控制系统带来足够多的位置数,而较大的时钟频率,足够快地提供动态的电机控制—这直接关系到乘客的电梯乘坐体验。

  此外,绝对式编码器对电梯用户最显著的优点是它可以在后台提供更多功能特性。通过双向串行接口传输的指定位置值(例如零位)简化控制单元工作而且使控制单元能在正确相位处高效为电机磁场提供换向信号,保证最佳扭矩。由于旋转编码器分辨率高,几乎任何极对数的电机都可以很容易的适应于此正确相位位置的分配。也就是说一个旋转编码器就适用于大量设计结构非常不同的电机。

  双向接口的另一个优点是电机与控制单元间的通信。一方面它能传输位置值,另一方面它还能传输与特定编码器和电机相关的参数,这些信息在系统启动阶段以及系统配置中从旋转编码器的EEPROM存储区读到控制单元中。工厂用这个功能可以预装相关参数,缩短第一次使用时的调试时间和避免向驱动系统手动输入参数中可能出现的错误。

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  不仅如此,这个接口还有监测功能,使电梯能有更高可靠性。先进的旋转编码器电子电路设计还为温度传感器提供信号处理能力。除了编码器内的温度传感器外,这个编码器还允许连接电机线圈处的温度传感器电路板并进行温度信号处理并将处理的数据传输协议传给更高一级的电子电路。此外,编码器电子电路中生成的有效数字形式的诊断值也通过这个接口传输,进行编码器的功能冗余判断。在达到临界值时,需要采取必要防护措施,避免意外停机维护。

  带细分和双向串行接口的绝对旋转编码器是电梯电机控制系统的理想选择。它的数据传输能力,例如绝对位置值的传输能力,高分辨率,传输数字位置值周期时间短,以及更好的连接技术使它能提升控制系统性能,它的监测以及诊断功能帮助用户进行预防性保养和定期维护。

  相信做机械设备的工程师都知道,以伺服电机,步进电机和无刷电机为首的是最常见的几款精密型机电一体化电机,这些电机都有一个共同的特点就是都是以驱动器给数字信号给电机,使电机按照既定模式进行运作。可控制,可编程,精度 高都是这些电机的主要特点。但是有些客户的设备需要用到精准定位,如转速的精准定位,位移的精准定位等,这个单独靠电机和驱动器无法实现。这时候就需要加装编码器。

  伺服电机编码器是一个监控和反馈电机运转方向和位置的高精度机电元件。如果要实现伺服与变频基本同步需要一个控制界面来控制

  伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。

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  编码器信号测量和处理是伺服电机控制的一个重要问题,电机转子的位置,速度,加速度都是来自于编码器信号。编码器脉冲信号测量和处理好了,将会得到准确的信息,这是控制的基础。反之将会误导控制。

  通常编码器都有A, B, Z脉冲信号,也有的另外加上有U, V, W脉冲信号。A, B信号:为电机位置脉冲信号,通过A, B信号的相位差还可以辨别转向。A和B信号的频率相同,相位差90,它们的占空比均为50%,通过电路可以将A, B信号的上升沿,下降沿分别处理成为脉冲,在一个A脉冲周期内,出现4个脉冲。Z信号:零位信号,电机每转一圈,在零位会产生Z脉冲信号,为了使Z信号更加可靠,一般规定只有在A,B信号都为高电平时出现Z信号上升沿才能确定为Z信号有效。U, V, W信号: 用于启动位置的判断。

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  A, B信号经过处理变成4倍频的脉冲,分别出现在A周期的0,90,180,270。但是这种理想状态是不存在的,通常A, B脉冲的相位差并不正好为90,A, B脉冲的高电平和电平的时间也不恰好相等。可以参考编码器厂家给出的数据。也就是说,4个脉冲的时间间隔并不相等,如果采用T法进行测量,必定造成实际转速不变而转速测量值却有波动的情况,这是必须要避免的问题。

  1、做T法测量时,不能使用两个相邻的脉冲,而是要用相同信号的相同沿。解释一下,所谓相同信号比如是A信号,相同沿比如是上升沿,也就是用A的上一个上升沿到A的这个上升沿去进行T法测量。也可以用A的下降沿到下降沿,或者B的相同沿。这样的好处是准确性获得保障,坏处是周期是相邻沿的4倍,增加了延时。

  2、事先对每个沿的间距做测量,并算出修正系数,进行实时修正。这样做的好处是延时只有上个方案的1/4,坏处是不能确保沿到沿的准确性,因为各个相邻脉冲的时间差可能随电机角度而改变,在震动强时也可能随转速而改变。准确性不能完全得到保证。

  Z信号一旦受到干扰而产生误判,将会造成同步失败,电机电流将迅速增加而造成严重后果。所以对Z信号要格外注意抗干扰处理。Z信号通过A,B,Z之间的相关性来让抗干扰能力增加。这种方法将干扰的可能性降低为原来的1/4。但是在干扰严重的高频斩波的环境下,这个措施还是不够的。

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  窗口法就是在零位附近开个窗口,只有在这个窗口内出现的Z信号,并同时满足A, B, Z之间的电平关系,才认为是Z信号。在窗口外产生的Z信号不予认可。举个例子:采用每圈2500线的编码器,每圈所产生的4倍频脉冲为10000个。当脉冲达到9700到10300之间时,Z信号有效,其它时候Z信号均不认可。

  当前,随着我国城镇化和基础设施建设的进程不断推进,越来越多的道路正在规划、兴建,并不断竣工投入使用。为了保证交通的安全与顺畅,对道路的缺陷、平整度等指标进行检测是至关重要的。对此,旋转编码器应用在道路检测车上,在车轮转速的检测方面,通过其凭借卓越的检测精准度成为了道路检测和保养的利器。

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  由于道路的里程数和种类不断增加,对其进行有效检测和管理也成为了一个课题。对于高速公路、等级公路、城市道路以及机场跑道等不同种类的道路,无论是出现裂缝、裂纹等道路病害现象,还是平整度达不到相应标准,都有可能影响其正常发挥作用,甚至造成严重的危险隐患。在当前的信息化浪潮中,更需要将道路检测工作与信息化管理平台相结合,对道路的各项数据指标进行储存、管理和利用。

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  针对这样的需求,一种新型道路检测车的出现,成为了破解道路检测难题的最佳工具。这种检测车集成和应用了现代信息技术,在机动车平台上搭载了先进传感器、图像采集系统、车载计算机等组件。在车辆正常行驶状态下,能自动完成道路路面图像、路面形状、道路设施立体图像、平整度及道路几何参数等数据的采集、分析、分类与存储工作,甚至自动生成检测报告和养护方案。

  热轧生产线是冶金行业重要生产线之一,其大部分机械装置由交流调速电机驱动,而调速方式又以变频调速方式为主。

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  热轧生产线一般由板坯库、加热炉、粗轧、精轧、卷取及运输链构成。作为轧线的重要设备,飞剪系统可装设在连续式轧机的轧制作业线上,剪切轧件的头部与尾部或将轧件剪切成定尺长度;采用飞剪机有利于使轧钢生产迅速向高速化、连续化方向发展。

  因此,它是轧钢生产发展的重要手段之一。轧机轧制的理论:轧制是借助旋转轧辊的摩擦力将轧件拖入轧辊间,同时依靠轧辊施加的压力使轧件在两个轧辊或两个以上的轧辊间发生压缩变形的一种材料加工方法。

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  轧机主传动系统采用的是全数字调速系统。速度控制器内含有电压环、电流环、速度环,速度环反馈元件采用的是增量型编码器。增量型重载大轴套旋转编码器与速度控制装置配合应用效果较好,速度控制稳定,速度响应快,调速精度高。下夹送辊通过配置编码器,控制棍子转速,使飞剪,夹送辊轧机同步。

  在持续发展的自动化领域中广泛应用,在精确测量、度量设备上、物体定位设备上,绝对值编码器因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆,已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制及在机械手臂中,并且在机械手臂中具有很大的优势。

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  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,还可以考虑与编码器配合工作,最高可提供数十位位的多圈位置信息,为机械手臂的精确控制提供必要的反馈信息。

  某些绝对旋转编码器,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,绝对值编码器高精度,高灵敏度,小尺寸,模块化设计等优点,能更好的应用于其中。

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  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,小尺寸,模块化设计等优点,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。

  顶驱-磁阻式编码器——旋转钻管和钻头。电机和齿轮系统一般会安装有一个编码器将速度和位置反馈到驱动器里。

  泥浆泵——多电机应用于循环泥浆的井下,电机用编码器进行速度控制来提高流量线性。

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  增量式编码器的输出信号为方波信号,又可以分为带换相信号的增量式编码器和普通的增量式编码器,普通的增量式编码器具备两相正交方波脉冲输出信号A和B,以及零位信号Z;带换相信号的增量式编码器除具备ABZ输出信号外,还具备互差120度的电子换相信号UVW,UVW各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致。

  带换相信号的增量式编码器的UVW电子换相信号的相位与转子磁极相位,或曰电角度相位之间的对齐方法如下:

  1、用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,U入,V出,将电机轴定向至一个平衡位置;

  4、一边调整,一边观察编码器U相信号跳变沿,和Z信号,直到Z信号稳定在高电平上(在此默认Z信号的常态为低电平),锁定编码器与电机的相对位置关系;

  5、来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,Z信号都能稳定在高电平上,则对齐有效。

  1、用示波器观察编码器的U相信号和电机的UV线、转动电机轴,编码器的U相信号上升沿与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合,编码器的Z信号也出现在这个过零点上。

  上述验证方法,也可以用作对齐方法。需要注意的是,此时增量式编码器的U相信号的相位零点即与电机UV线反电势的相位零点对齐,由于电机的U相反电势,与UV线度,因而这样对齐后,增量式编码器的U相信号的相位零点与电机U相反电势的-30度相位点对齐,而电机电角度相位与U相反电势波形的相位一致,所以此时增量式编码器的U相信号的相位零点与电机电角度相位的-30度点对齐。

  有些伺服企业习惯于将编码器的U相信号零点与电机电角度的零点直接对齐,为达到此目的,可以:

  1、用3个阻值相等的电阻接成星型,然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线、以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点,就可以近似得到电机的U相反电势波形;

  3、依据操作的方便程度,调整编码器转轴与电机轴的相对位置,或者编码器外壳与电机外壳的相对位置;

  4、.一边调整,一边观察编码器的U相信号上升沿和电机U相反电势波形由低到高的过零点,最终使上升沿和过零点重合,锁定编码器与电机的相对位置关系,完成对齐。

  绝对式编码器的相位对齐对于单圈和多圈而言,差别不大,其实都是在一圈内对齐编码器的检测相位与电机电角度的相位。早期的绝对式编码器会以单独的引脚给出单圈相位的最高位的电平,利用此电平的0和1的翻转,也可以实现编码器和电机的相位对齐,方法如下:

  4、一边调整,一边观察最高计数位信号的跳变沿,直到跳变沿准确出现在电机轴的定向平衡位置处,锁定编码器与电机的相对位置关系;

  5、来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,跳变沿都能准确复现,则对齐有效。

  这类绝对式编码器目前已经被采用EnDAT,BiSS,Hyperface等串行协议,以及日系专用串行协议的新型绝对式编码器广泛取代,因而最高位信号就不符存在了,此时对齐编码器和电机相位的方法也有所变化,其中一种非常实用的方法是利用编码器内部的EEPROM,存储编码器随机安装在电机轴上后实测的相位,具体方法如下:

  1、将编码器随机安装在电机上,即固结编码器转轴与电机轴,以及编码器外壳与电机外壳;

  2、用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,U入,V出,将电机轴定向至一个平衡位置;

  3、用伺服驱动器读取绝对编码器的单圈位置值,并存入编码器内部记录电机电角度初始相位的EEPROM中;

  如果绝对式编码器既没有可供使用的EEPROM,又没有可供检测的最高计数位引脚,则对齐方法会相对复杂。如果驱动器支持单圈绝对位置信息的读出和显示,则可以考虑:

  4、经过上述调整,使显示的单圈绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的单圈绝对位置点,锁定编码器与电机的相对位置关系;

  5、来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,上述折算位置点都能准确复现,则对齐有效。

  如果用户连绝对值信息都无法获得,那么就只能借助原厂的专用工装,一边检测绝对位置检测值,一边检测电机电角度相位,利用工装,调整编码器和电机的相对角位置关系,将编码器相位与电机电角度相位相互对齐,然后再锁定。这样一来,用户就更加无从自行解决编码器的相位对齐问题了。

编码器

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