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2022-8-26 閱讀(902)
為朋友們分享kubler旋轉(zhuǎn)編碼器的基本原理
據(jù)我們了解到很多朋友對(duì)庫(kù)伯勒旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理以及基本原理等功能不太了解，下面將針對(duì)kubler旋轉(zhuǎn)編碼器的基本原理與設(shè)計(jì)包含光源、光柵、光偵測(cè)器及訊號(hào)分析介紹。
一、kubler旋轉(zhuǎn)編碼器種類(lèi)
旋轉(zhuǎn)編碼器可作為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、角速度測(cè)量感測(cè)器，也可與機(jī)械測(cè)量載體，例如導(dǎo)螺桿聯(lián)用，用于測(cè)量直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 應(yīng)用領(lǐng)域包括馬達(dá)、工具機(jī)、木工機(jī)械、紡織機(jī)械、機(jī)器人和運(yùn)送設(shè)備以及各種測(cè)量、測(cè)試和檢驗(yàn)設(shè)備。
庫(kù)伯勒旋轉(zhuǎn)編碼器可分為應(yīng)用光學(xué)光柵原理和磁性磁柵原理兩類(lèi)，由于使用光學(xué)光柵原理的光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器比使用磁性原理的磁式旋轉(zhuǎn)編碼器具有精度高，光感測(cè)元件來(lái)源較多，與容易制作等優(yōu)點(diǎn)，光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器目前在技術(shù)與生產(chǎn)產(chǎn)量上皆居于主流地位。 但由于應(yīng)用磁性磁柵原理的磁式旋轉(zhuǎn)編碼器抗環(huán)境污染能力強(qiáng)，于編碼式定位量測(cè)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)編碼器市場(chǎng)上仍占一席之地。
光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器主要是由中心軸、主光柵盤(pán)、副光柵、發(fā)光二極體及光偵測(cè)器組成。 LED的光源可以經(jīng)由主光柵盤(pán)、副光柵至光偵測(cè)器，當(dāng)主光柵盤(pán)隨中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，光偵測(cè)器便收到不同的光源并依次產(chǎn)生訊號(hào)。 旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測(cè)量和角速度測(cè)量較絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器更具有廉價(jià)和簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)。 但針對(duì)高精度的伺服系統(tǒng)而言，提高伺服系統(tǒng)的精度，首先必須提高位置反饋的精度，因此隨著精度要求的提升，絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器日漸重要。
光學(xué)式軸編碼器主要構(gòu)成為一個(gè)可旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)，其周?chē)吘売性S多細(xì)縫之槽孔。 在圓盤(pán)的一側(cè)放置光源，另一例放置光感測(cè)器。 當(dāng)圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光感測(cè)器即接收到on-off的脈波，計(jì)算脈波的數(shù)量，即可計(jì)算出旋轉(zhuǎn)的角度或位移長(zhǎng)度。 光學(xué)式軸編碼器，可分為增量式及絕對(duì)式編碼器兩種型式，兩者主要差別在于輸出信號(hào)不同，前者輸出為A、B相之方波；后者輸出為特定之?dāng)?shù)位碼，在編碼器解析度范圍內(nèi)之任一角度，均有之碼對(duì)應(yīng)。
A. 增量型光學(xué)編碼器一旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)刻有光柵的圓盤(pán)，兩側(cè)分別擺放發(fā)光二極體與光電檢測(cè)器，發(fā)光二極體光線(xiàn)若透過(guò)光柵讓光電檢測(cè)器接受到，所以當(dāng)圓盤(pán)不斷旋轉(zhuǎn)光電晶體將持續(xù)送出on與off訊號(hào)，我們只要記錄訊號(hào)出現(xiàn)的數(shù)目即可計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角度。 當(dāng)然圓盤(pán)的光柵愈密，所能量測(cè)的角度位置精度越高。 需要提高分辨率時(shí)，可利用90度，相位差A(yù)，B兩路信號(hào)，對(duì)原脈沖進(jìn)行倍頻。
B. 絕對(duì)光學(xué)編碼器絕對(duì)編碼器的碼盤(pán)是由一系列同心圓的軌道組成。 每層軌道以從外向裡按軸位代碼的二進(jìn)制的權(quán)分割成等距的區(qū)段，外層軌道為，內(nèi)層軌道為最高位。 二進(jìn)制碼優(yōu)點(diǎn)是可直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)工作，但它在交界面上會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)讀，并且隨著碼盤(pán)輸出值的增加，讀數(shù)誤差也伴隨增大。 例如在二進(jìn)制碼盤(pán)，0與15的交界面上，由于工藝和裝配的因素可能讀成1111或0000以外，任何數(shù)字都可出現(xiàn)，即發(fā)生非單值性，這就產(chǎn)生讀數(shù)誤差。
kubler增量式旋轉(zhuǎn)編碼器量測(cè)目前位置的方式由原點(diǎn)開(kāi)始計(jì)數(shù)量測(cè)步距，或細(xì)分割信號(hào)周期并計(jì)數(shù)，kubler增量式編碼器具有參考點(diǎn)，開(kāi)機(jī)時(shí)必須執(zhí)行原點(diǎn)復(fù)歸操作，以建立機(jī)械基準(zhǔn)點(diǎn)。 具換向信號(hào)的旋轉(zhuǎn)編碼器可提供轉(zhuǎn)軸的角度位置而無(wú)需測(cè)量前移動(dòng)，其精度足以正確地控制永磁式三相馬達(dá)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相位。 而絕對(duì)式角度編碼器和旋轉(zhuǎn)編碼器無(wú)需執(zhí)行原點(diǎn)復(fù)歸就能直接量測(cè)目前位置值。 單轉(zhuǎn)式是絕對(duì)編碼器可提供一轉(zhuǎn)內(nèi)的位置值，而多轉(zhuǎn)式編碼器還能區(qū)分不同轉(zhuǎn)數(shù)的位置值。 由于增量編碼器比絕對(duì)編碼器使用碼盤(pán)軌道少，這樣，它的導(dǎo)線(xiàn)數(shù)、滑環(huán)數(shù)、讀出器、電路和顯示元件保持，使得系統(tǒng)可靠性增大，成本降低。 因此，現(xiàn)代系統(tǒng)多傾向采用增量編碼器。 kubler增量編碼器主要缺點(diǎn)是測(cè)量?jī)H相對(duì)于一個(gè)固定點(diǎn)，假如這個(gè)點(diǎn)有誤差，整個(gè)系統(tǒng)受損害。 另一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)電源出現(xiàn)故障時(shí)，常常導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，須使用輔助數(shù)據(jù)記憶技術(shù)，以防止丟失。
二、光學(xué)式編碼器基本原理
光學(xué)式編碼器依其形狀分為圓形及線(xiàn)型（光學(xué)尺）兩種，依檢測(cè)方式分平行狹縫方式、莫爾條紋方式、縱向條紋方式，依光學(xué)特性分反射式及穿透式兩種。 目前光學(xué)式編碼器大部份采用平行狹縫方式，基本光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器之設(shè)計(jì)如圖1所示，其原理為使用一個(gè)帶有主光柵之碼盤(pán)（main scale）及副光柵（Index grating ）、光源及光偵測(cè)模組。 碼盤(pán)、副光柵相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)之光強(qiáng)產(chǎn)生變化，形成周期性三角波訊號(hào)，因繞射關(guān)系實(shí)際輸出波型近似正弦波如圖，輸出訊號(hào)周期與主光柵之柵距相同，因此通過(guò)計(jì)數(shù)器可數(shù)出碼盤(pán)、副光柵相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。 因應(yīng)定位系統(tǒng)的需求，旋轉(zhuǎn)編碼器必需有A、A1、B、B1、Z1及Z2等六個(gè)訊號(hào)輸出，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上就必需有六對(duì)光源與光偵測(cè)器模組，光源部份其目的在發(fā)出近似平行的紅外光，穿過(guò)光柵，到達(dá)光偵測(cè)器，副光柵作用是與主光柵重疊以產(chǎn)生位移訊號(hào)，副光柵上共分成A、A1、B、B1、Z1及Z2，Z之設(shè)計(jì)是在每圈產(chǎn)生寬度在柵距內(nèi)之脈沖訊號(hào)做為參考，又稱(chēng)為零位光柵。 最后由光偵測(cè)模組將光強(qiáng)訊號(hào)轉(zhuǎn)為電流訊號(hào)。 以下將分別針對(duì)各模組一一介紹。
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