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编码器的管事道理先容

日期:2019-10-11 11:20 来源: 工业编码器

  编码器的工作原理介绍_电子/电路_工程科技_专业资料。编码器的工作原理介绍

  一、光电编码器工作原理 光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的 传感器。这是目前应用最多的传感器,光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘 是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴,电动机旋 转时,光栅盘与电动机同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉 冲信号,通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外,为判 断旋转方向,码盘还可提供相位相差 90o 的两路脉冲信号。 编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式,可分 为增量式、绝对式二种. 光电编码器是一种角度(角速度)检测装置,它将输入给轴的角度量,利用光电转换原 理转换成相应的电脉冲或数字量,具有体积小,高精度,工作可靠,接口数字化等优点。它 广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的 装置和设备中。 1、增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、B 和 Z 相;A、B 两组脉冲 相位差 90o,从而可方便地判断出旋转方向,而 Z 相为每转一个脉冲,用于基准点定位。它 的优点是原理构造简单,机械平均寿命可在几万小时以上,抗干扰能力强,可靠性高,适合 于速度.长度传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 输出形式:电压输出、集电极开路输出、推挽(互补)输出、长线驱动输出 工作电压:DC5V,DC5-24V,DC10-30V 常用线、512、600、700、800、900、 907、1000、1024、1200 、1250、1440 、1500、1800 、2000、2048 、2400、2500 、2669、3000、 3600、4000、4069、4500、5000、5400 2、绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器,在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道,每 条道上由透光和不透光的扇形区相间组成,相邻码道的扇区数目是双倍关系,码盘上的码道 数就是它的二进制数码的位数,在码盘的一侧是光源,另一侧对应每一码道有一光敏元件; 当码盘处于不同位置时,各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号,形成二进制数。 这种编码器的特点是不要计数器,在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数 字码。显然,码道越多,分辨率就越高,对于一个具有N 位二进制分辨率的编码器,其码 盘必须有 N 条码道。本世纪初我公司已成功研制高精度 24 位绝对值角度编码器产品,并为 上海计量院、无锡计量院提供精度±2″绝对值角度编码作为计量检测低精度绝对值编码器 的标准检测工具。 绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制(格雷码)方式进行光电转换的。绝对式 编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形,绝对编码器可有若干 编码,根据读出码盘上的编码,检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进 制补码等。它的特点是: ? 可以直接读出角度坐标的绝对值; ? 没有累积误差; ? 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的,也就是说精度 取决于位数,目前我公司可做 10 位至 24 位分辨率绝对值角度编码器。 装置和设备中。 二、绝对值编码器的输出码 ? 自然二进制码10100 ? 循环二进制码(格雷码)00110 ? 格雷码的特点:相邻的整数在他的数字表示中只有一个不同,可避免数字转换电路中出 现很大的峰值电流(如 3-4,0011-0100) ? 二进制-格雷码转换格式:高位保留次高位取(二进制)高位与次高位的“异或” 运算 三、绝对值编码器的输出形式 ? 并行输出:集电极开路输出,推挽输出,电压输出 ? 串行输出:RS422,RS232,Mudbus,SSI,CAN,CANopen,4-20MA 模拟量,0-5V 电压输出. 1、并行输出 多少位(码道)绝对值编码器就有多少根信号电缆,每根电缆代表一位数据,以电缆输 出电平的高低代表 1 或 0,物理器件与增量值编码器相似,有集电极开路 PNP,NPN 型,差分 驱动,推挽式,差分高电平有效或低电平有效来针对 PNP 或 NPN 的物理器件格式,并行输出 一般以格雷码形式输出,又称格雷码编码器 0—5v 电压输出原理示意图: 说明:横轴表示长度速度等(可自定义),纵轴表示信号输出的模拟量 4-20mA 模拟量输出原理示意图: 说明:横轴表示长度速度等(可自定义),纵轴表示信号输出的模拟量 ? 绝对值数字码盘,内置信号转换 4~20mA 模拟电流输出,方便连接各种设备。 ? 4mA 对应值、20mA 对应值任意设定及微调;方向设定;外部置位线设定预设位置,安装 方便,无需找零。 2、同步串行(SSI)输出 SynchronousSerialInterface--SSI 接口(差分 RS422 模式,最新的差分负 相是正相滞后 180°),由主设备发送时钟信号,从设备根据主设备所发送的时钟信 号返回数据。下面图示为典型的 SSI 信号时序图,我将根据该图做解释,由于在选 择器件的时候存在差异性,所以应适当调整各个时间段 。 ? 时钟为周期性中断的脉冲,脉冲数 n 由从设备所送出的 SSI 位数决定。时钟中 断停止状态为高电平。 ? 时钟的频率为从设备所支持的频率范围,须知频率越快,数据越不稳定,传输 的距离也越近, 在实际使用中 ,现场环境的干扰、 传输电缆的选择、 接地的好 坏等都成为数据可靠阻碍,需要根据现场来解决。 ? 图示中可以看到,tcal 表示设备准备好可以发送的数据所需要的时间,从设备 在接收到主设备所发送的第一个时钟下降沿时开始 准备 ,该时间越短 ,代 表 了 所使用的器件运算速度越快。T 代表时钟周期。MSB 代表数据高位,LSB 代表数 据低位,T1 代表设备接收时钟上升沿后发送数据的延迟,T2 代表数据中断信号, 从设备接收到的高电平>T2 时,将为下个周期做准备 ? 此类型编码器具有国际流行的同步串行接口,可与德国西门子 PLC 等系统接口通 讯,具有速度快,效率高等优点 3、异步串行(Mudbus)输出 Modbus 是由 Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)在 1979 年发明的,是全球第 一个真正用于工业现场的总线协议。为更好地普及和推动 Modbus 在基于以太网上的分布式 应用,目前施耐德公司已将 Modbus 协议的所有权移交给 IDA(InterfaceforDistributed Automation,分布式自动化接口)组织,并成立了 Modbus-IDA 组织,为 Modbus 今后的发展 奠定了基础。在中国,Modbus 已经成为国家标准 GB/T19582-2008。据不完全统计:截止到 2007 年,Modbus 的节点安装数量已经超过了 1000 万个。 Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、 控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有 了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。此协议定义了一个控制 器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求 访问其它设备的过程,如何回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了 消息域格局和内容的公共格式。 当在一 Modbus 网络上通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识 别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。 如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用 Modbus 协议发出。在其它网络上,包含了 Modbus 协议的消息转换为在此网络上使用的帧或 包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。 此协议支持传统的 RS-232、RS-422、RS-485 和以太网设备。许多工业设备,包括 PLC,DCS, 智能仪表等都在使用 Modbus 协议作为他们之间的通讯标准. ⑴、设备通信协议: 485 口通信协议采用 Modbus 通信协议(RTU 方式)。 Ⅰ数据字节格式: 起始位数据位奇偶校验位停止位 18 0 或 1 2(1) 奇偶校验位为无、偶校验、奇校验三种。当无奇偶校验位时,停止位 2 位为标准格式, 当有奇偶校验位时,停止位为 1 位。无奇偶校验位为出厂基本格式。 Ⅱ波特率 :2400bps4800bps9600bps19200bps57600bps ※出厂默认设置:①无奇偶校验位②波特率 19200bps③地址 0x01 ※改变参数时,不要定时发送为避免损坏器件内部结构。发送一次返回数据匹 配代表设置成功。 Ⅲ功能码 03: 利用 Modbus 通信协议的 03 功能码,读取编码器数值。 主机的命令格式是从机地址、功能码、起始地址、字节数及 CRC 码。 从机响应的命令格式是从机地址、功能码、数据区及 CRC 码。数据区的数据是二进制码, 两个字节,高位在前。CRC 码是两个字节,低位在前。 Ⅳ信息帧格式举例: 1、(读取编码器实时数据-16 位二级 64 圈) 主机呼:从机地址为 01。 A 起始地址读取点数CRC 校验码 站 功 低 高 号能 ︵码 地 址 ︶ 编码器答: 010302XXXXXXXX 数据CRC 校验码 站号 功能 读单 高(二进制)低 ︵ 码 元 地 字 址 ︶ 节 1、(读取实时数据-18 位二级 256 圈) 主机呼:从机地址为 01。 2C40B 起始地址读取点数CRC 校验码 低 高 站功 号能 ︵码 地 址 ︶ 编码器答: 010304000XXXXXXXXX 数据数据CRC 校验码 站号 功能 读单 高中低 ︵ 码 元 地 字 址 ︶ 节 上面 01,03,02,XX 等均为一个字节。数据为两个字节,高位字节在前。 每帧的开头和结尾至少有 3.5 个字节时间的间隔。 用户在为主机编程时,除了站号(地址)和 CRC 校验码之外,其它字节的字符均采用 上面的内容不变。主机格式中的读取点数可以为 01 也可以为 02(02 是为了兼容某些协议)。 从机回答帧中的功能码(03)不变。 2、(查询设备地址) 主机呼:FFAO4038 编码器答:FFA001XXXX CRC 校验码 站 号 ︵ 地 址 ︶ 3、(改变设备地址) 主机呼:01A102(新址)XXXX 编码器答:02A1XXXX(设置成功) CRC 校验码 新址 4、(改变设备波特率、零位、方向) 主机呼:01CC02(参数)XXXX 编码器答:01CC02(参数)XXXX(设置成功) CRC 校验码 地址 ⑵、参数定义: ①0x00 设置当前为零位 ②0x01 正进位③0x02 反进位 ④0x24 波特率 2400bps⑤0x48 波特率 4800bps⑥0x96 波特率 9600bps ⑦0x19 波特率 19200bps⑧0x57 波特率 57600bps ⑶、计算 CRC 码的步骤为: 1、预置 16 位寄存器为十六进制 FFFF(即全为 1)。称此寄存器为 CRC 寄存器; 2、把第一个 8 位数据与 16 位 CRC 寄存器的低位相异或,把结果放于 CRC 寄存器; 3、把寄存器的内容右移一位(朝低位),用 0 填补最高位,检查最低位; 4、如果最低位(移出去的那一位)为 0:重复第 3 步(再次移位) 如果最低位(移出去的那一位)为 1:CRC 寄存器与多项式 A001(10100000 00000001)进行异或; 5、重复步骤 3 和 4,直到右移 8 次,这样整个 8 位数据全部进行了处理; 6、重复步骤 2 到步骤 5,进行下一个 8 位数据的处理; 7、最后得到的 CRC 寄存器即为 CRC 码。 8、将 CRC 结果放入信息帧时,将高低位交换,低位在前。 4、Can 总线输出配置及通讯协议 CAN 通讯详细参数 1. 支持 CAN 协议版本 2.0A 和版本 2.0B; 标准帧11 位标识符(2.0A) 2. CAN 驱动数据总线. 数据传输格式: CANopen 参数设置: 编码器出厂波特率设置为 250K,节点号设置为 20H,编程循环时间为 100ms。 CANopen 数据格式说明: COB-ID 指令 索引 子索引 数据 11bit 字节 0 字节 1 字节 2 字节 3 字节 4 字节 5 字节 6 字节 7 低位 高位 低位 —— —— 高位 COB-ID 组成说明: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 功能代码 设备地址 X X X X X X X X X X X 可以使用的功能代码 功能 代码(bit) COB-ID NMT 0000 0 SYNC 0001 128(70H) Emergency 0001 129-255(71H-FFH) PDO(RX) 0011 385-511(181H-1FFH) PDO(TX) 0100 513-639(201H-27F) SDO(RX) 1011 1409-1535(581H-5FFH) SDO(TX) 1100 1537-1663(601H-67FH) RX/TX 为从上位机角度出发,即 RX 为编码器数据发出,TX 为编码器数据接收。 绝对式编码器设置说明: 下面涉及到的 CAN 总线数据个格式均是 ID,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,所有的数据都是 16 进制的格式,假设编码器的节点号是 NN。DLC 均为 8 一、发送:272,01,NN 启动 NN 号节点 或发送:272,80,NN 点动 NN 号编码器 编码器回复:1F1,低八位,中八位,高八位,0,0,0,0,0.回传数据 二、发送:7E00 ->进入配置模式 再发送:7E00 ->设置新的节点地址为 0x20 编码器回复:7E00 ->成功 三、发送:7E00 ->进入配置模式 再发送:7E00->设置新的波特率 500K(00 为 1M,02 为 500K,03 为 250K) 编码器回复:7E00 ->成功 四、发送:272,21,NN NN 号节点正进位 编码器回复:1F1,21,0,0,0,0,0,0,0. 五、发送:272,22,NN NN 号节点逆进位 编码器回复:1F1,22,0,0,0,0,0,0,0. 六、发送:272,20,NN NN 号节点置中 编码器回复:1F1,20,0,0,0,0,0,0,0. 七、发送:272,31,NN,TT NN 为号节点 TT 为数据定时发送 TT 次/S 编码器回复:1F1,31,0,0,0,0,0,0,0. 八、发送:272,30,NN NN 号节点数据定时发送 0 次/S 编码器回复:1F1,30,0,0,0,0,0,0,0. 四、编码器数据检测方法 如图所示,在编码器没有旋转的状态下采集到数据为: FFH81H 05H7FHD4H D8H 帧头字节 数据字节,高位在前 校验和字节 说明:此编码器数据为 20 位二进制编码器数据,合并数据字节为 0X57FD4 换算成十进制为 360404. ① 角度换算公式为θ=(360°×360404)/2^20 ② 校验和计算公式X=(0XFF+0X81+0X05+0X7F+0XD4)&0XFF 五、旋转编码器的安装注意事项 1、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,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°. ? 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). 2、电气方面 ? 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. ? 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,选用具备输出阻抗小,抗干扰能力强的型号. ? 常用工作电压:DC5VDC10-30V ? DC5V尽量采用短距离 2M 以内,避免精度不达标.信号衰减错码等问题 3、环境方面 ? 编码器是精密仪器,使用时须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. 六、IP 防护等级体系: IP表示 IngressProtection(进入防护)。 第一标记数字如 IP6_表示防尘保护等级(6 表示无灰尘进入,参见下表) 第二标记数字如 IP_5表示防水保护等级(5表示防护水的喷射,参见下表) 数字定义 防止固体物质入侵 防止液体入侵 第一个数字定义描述 第二个数字定义描述 0 无防护。无专门的防护。 无防护。无专门的防护。 防护50mm 直 径 和 更 大 的 固 体 外 来 1 物。防护表面积大的物体比如手(不 1防护水滴(垂直落下的水滴) 防护蓄意侵入)。 2 防护12mm 直 径 和 更 大 的 固 体 外 来 物。防护手指或其他长度不超过 设备倾斜15度时,防护水滴。垂直落下 的水滴不应引起损害。 80mm的物体。 3 防护2.5mm直径和更大的固体外来 防护溅出的水。以60度角从垂直线两侧 物。防护直径或厚度超过2.5mm的工 溅出的水不应引起损害。 具、金属线mm直径和更大的固体外来 防护喷水。当设备倾斜正常位置15度 4 物。防护厚度大于1.0mm的金属线或 时,从任何方向对准设备的喷水不应引 条状物。 起损害。 5 防护灰尘。不可能完全阻止灰尘进 防护射水。从任何方向对准设备的射水 入,但灰尘进入的数量不会影响设 不应引起损害。 备的正常运行。 6 不透灰尘。无灰尘进入。 防护大浪。大浪或强射水进入设备的水 量不应引起损害。 防护浸水。在定义的压力和时间下浸入 7 水中时,不应有能引起损害的水量侵 入。 8 防护水淹没。在制造商说明的条件下设 备可长时间浸入水中。 防水测试(IP_5)的测试方法和主要的测试条件定义如下: 测试方法–喷嘴的喷水口内径为 6.3mm,放于距离测试样品 2.5-3m 之处。 水流速率–12.5l/min±5% 测试持续时间–1min/m2但是至少持续 3 分钟。 测试条件–从每个可行的角度对测试样品喷射。 七、工程现场与实验室的干扰区别: 很多人有这样一个困惑,一些工程设备在办公室试的时候还是好好的,没有任 何问题,可是一旦到了现场,接二连三的问题就接踵而来,而且问题会很奇怪,有 些现象都不能用迄今为止最实用快捷的方式 ——替换法来解决 。这是令人很头痛的 问题,须知解决问题的前提条件是发现问题 ,如果问题都没有发现, 那谈什么都是 空谈!以下几点需要注意的地方: 1.实际的操作与设计及工艺的要求往往会脱钩 ,出现问题第一步需要查的就是 线路,是不是有接错线的问题 ,接线的地方是焊接的还是用接线端子的,是否有断 线和接触不良的现象?焊点是不是太大引起线路容性增大!这些问题有时候往往被 忽视,但是当出现的时候是很致命的 ,让人猝不及防又找不到问题所在。 2.电源的稳定性。很多工程现场 220Vac 的电源都是从 380V 电源里面分两相出 来用的,如果不做稳压的话是很不稳定的,如果分相不均匀,一、会造成电压过大 或过小, 但这不是重点 ,因为一般工程设备在设计的时候会有一个允许范围 ,而且 对于交流工作的设备在电压的允许范围上通常都比较大 ,所以这不是关键点 。二、 电压波动 ,电压的波动往往不被重视 ,而不被重视的往往成为最具杀伤力的问题, 就如武学 ,明枪易躲, 暗箭难防。而且电压的高速波动没法为万用表所检测 ,因为 万用表的刷新频率大大低于交流电压的频率 。 3.电源的功率。电源的另外一点问题也容易被忽略 ,那就是功率 ,特别是直流 电源的功率,功率也不是说越大越好 ,因为电源本身是有内阻的,功率过大的话很 多能量会消耗在电源自己身上 ,也会造成电源的不稳定 ,所以配的时候要讲究阻抗 匹配。 4.干扰。因为一般做工程的会动不动就讲干扰引起数据及设备不稳定,真正因 为纯粹的干扰引起问题的并不是很多,因为成熟的产品一般都是做过 EMC 测试的, 包括外部电磁辐射、浪 涌、电快速脉冲群等等实验,而且干扰是大家都关心的问题 , 所以它危害大又太明显 ,很多工程师就会在设计的时候有意避开这些问题。 干扰无 外乎变频干扰、电源启停电弧干扰、动力线电感干扰等(很多尖峰脉冲、共模差模 、 浪涌等都包括在这里面了)。 面对这些干扰 ,一、 要做好接地 ,最好能够保证地电 位的等电势,不要在接地线上形成电势差产生电流 。二 、做好高频接地,仅仅注意 接地电位的相等是不够 ,等电位的形成需要的是接地线阻抗够小,但是没有办法让 高频干扰快速的离开设备。高频信号走的是线缆表面, 所以要使高频走的快 ,就需 要线径小(信号能快速达到表面)线缆多(表面积大 )阻 抗 小( 截面积大)。我想 , 做好这两点,干扰问题应该能够大大改善。

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