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发布时间 : 2018-04-17 14:05:17      访问量 : 415次

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伺服系统中的肯定值编码器,其完成肯定方位反应和多圈检测所选用的技能方法却有许多种,而这种在产品原理上的差异,给用户带来的运用体会也是极为不同的。本期,咱们就和咱们来谈谈几种不同类型的肯定值编码器的技能原理,以及它们之间的运用差别。

咱们知道,要让编码器反应肯定方位,就有必要做到在丈量规模内视点方位编码的唯一性。


从这个意义上看,咱们之前谈过的旋转变压器 Resolver、磁性编码器和选用肯定值编码(如:格雷码、BCD 码、16 进制码...)的光电式编码器,都是能在一圈的旋转规模内做到没有重复方位信号输出的,因而可以被用作读取单圈肯定方位反应。


所不同的是:


伺服体系中的光电编码器可以达到极高的方位反应精度和动态呼应功用,但一起也很简略遭到机械物理环境(如:振荡、冲击...)的影响;


而 Resolver 和磁性编码器,是依据电磁场感应反应“编码”的,丈量精度就会比较低,呼应速度也较慢,且简略遭到电磁噪声的搅扰,因而,很难担任高动态运控体系的方位反应;


但一起,由于内部机械结构相对简略,Resolver 和磁性编码器关于机械传动的装置环境就没有光电编码器那么灵敏。尤其是 Resolver,内部有着与电机相似的结构,且简直没有任何杂乱的电子元器件,被以为十分合适那些机械物理环境较为恶劣的运用场合,例如:高温、低温、振荡、冲击、油污...等等。


由于单圈肯定值编码器的量程仅为一圈,当机械轴旋转视点超出这个量程规模时,就会以 360° 为周期输出重复的方位编码。此刻,就有必要运用多圈肯定值编码器了。


一般来说,多圈肯定值编码器的内部结构可以分为两个部分:单圈视点方位反应和多圈圈数检测。


单圈视点方位反应,基本上就是一支单圈肯定值编码器。依据所面临的特定职业运用(首要是呼应精度和对机械环境的灵敏性),一般会选用光电码盘或磁编技能。


多圈圈数检测,望文生义,其效果就是辨认机械轴旋转的圈数。将这个圈数值与前面的单圈视点方位组合在一起输出,就可以为设备体系供给所需求的多圈肯定值方位反应了。


而用于完成多圈圈数检测的办法,又分为好几种,首要包含:电池加计数寄存器、机械齿轮旋转编码、韦根原理计数...等等。


电池加计数寄存器的原理其实很简略,就是运用在编码器内部加装的寄存器,记载和储存编码器旋转时圈数的累加或递减;而电池的效果,则是为了确保编码器在断电的时分,也依然可以持续做到对圈数的累计和记载。许多传统的日系编码器都会选用此项技能。


这种圈数计数办法最大的优点,就在于其技能完成比较简略,且硬件本钱相对较低;但一起,它也有一个常常被人们诟病的缺陷,就是会让编码器在电池没电(或损坏)时丢掉圈数记载。


不过,个人以为,圈数记载在电池掉电的情况下发作数据丢掉,只不过是一个表象罢了,其圈数反应有必要依赖于历史数据记载的运转机理,才是问题的底子地点。可以说,关于机械轴旋转圈数,这种编码器基本上没有采纳什么检测办法,仅仅是做了简略的计数累加罢了。即使没遇到电池掉电(或损坏),也完全可能由于线路搅扰、寄存器失效、计数过错...等其他原因导致寄存器内历史记载丢掉,然后形成多圈肯定值编码器功用的失效。


相比之下,机械齿轮式的多圈肯定值编码器在圈数检测方面就有着更高的牢靠性。


这种编码器内部会有一个相似自来水表的齿轮传动结构,即一串与主机械轴逐级咬合的减速齿轮组,每一级齿轮都与上一级齿轮和主机械轴之间有着整数倍的减速比联系。因而,通过辨认每个齿轮的旋转视点方位,即可以完成对编码器主机械轴旋转圈数的检测。


而对各齿轮视点方位的检测,所选用的就是和上述单圈肯定值编码器相同的技能,一般为肯定值光电码盘或磁性编码器。


如上图所示的多圈肯定值编码器,就是选用光电码盘技能丈量其单圈方位和多圈齿轮视点的。


而在上图所示的多圈肯定值编码器中,单圈肯定方位和多圈齿轮视点的检测就都运用了霍尔传感器(磁编技能)。多圈检测运用了 3 级齿轮减速,假如每一级齿轮与上一级之间的速比为 1 : 16,那么主机械轴在旋转时,与每一级齿轮的视点方位比则分别为 16 : 1、256 : 1、4096 : 1,这样,该编码器的最大圈数丈量规模就是 4096 圈。


不难发现,这类编码器输出的肯定方位反应,是依据当时机械物理传动组织直接测得的,而不是依据历史记载计算出来的,无需电池,更不会遭到线路搅扰、程序过错...等外界环境的影响,从方位检测的源头做到了信号反应的牢靠性。


当然,咱们也应该看到,这样一支 4096 圈的多圈肯定值编码器,其内部相当于有 4 套单圈肯定值编码器的检测组织,以及一套杂乱精细的串联齿轮组。因而,这种机械齿轮式多圈肯定值编码器,一般会比一般的单圈肯定值编码器和电池加计数寄存器式的多圈肯定值编码器贵许多。


为了满意用户对多圈肯定值编码器低本钱、无电池的需求,这几年市面上开始出现一种依据“韦根效应”的多圈肯定值编码器技能。


1974 年,一位名叫做 John R. Wiegand 的物理学家发现,通过恰当处理的合金丝,因外壳和内芯之间的磁性差异,在特定的外加磁场条件效果下,可以使内芯与外壳的磁化方向相同或相反,一起磁极性的快速改动会使得合金丝两头产生一个短而有力的电脉冲,这种现象被称作“韦根效应”。


将依据韦根效应制成的韦根线圈置于磁性编码器内并接近机械轴上的结尾磁铁,就可以凭借磁场旋转在线圈两头激发出来的电脉冲,触发其内部寄存器的计数累加动作,然后完成对磁性编码器的圈数检测;


通过多年的技能堆集,现在的韦根线圈(传感器)现已可以在磁极改动时产生满足微弱的电力,然后使得这种多圈肯定方位编码器,可以在不依赖外部电池的情况下完成对旋转圈数的计数检测。


可以看到,依据韦根效应的多圈肯定值编码器,其多圈圈数检测的基本原理和前面说的电池加计数寄存器的方法是相同的,只是由于运用了韦根线圈,让圈数累计不再需求依赖于电池供电和码盘读数。不过这依然无法改动其方位编码是依据历史数据计算出来的现实。寄存器内圈数和方位记载因线路搅扰、存储失效、计数过错...等电气或软件原因而意外丢掉,进而形成编码器多圈肯定值反应功用的失效,是完全有可能性。


此外,韦根线圈在磁性编码器内部的装置精度,即与机械轴结尾磁铁之间的相对方位差错,也会成为一个潜在的问题。由于,这一方面会直接影响编码器的丈量精度;另一方面,还可能由于过高的工艺要求而带来产品硬件本钱的添加。


尽管现在一些运用韦根传感器的编码器厂家现已在这项技能上有了多年的深入研究和堆集,也针对上面说到的各种潜在问题做出了相应的弄清,并给出了不少“有用”的处理方案,例如:存储器元件牢靠性的提高、圈数检测算法、EMC 抗搅扰办法...等等,但关于制造业用户而言,产品可以实实在在的在设备上长时间安稳牢靠的运转才是最有说服力的。从这个视点看,这种多圈肯定值磁编在工业商场的普及运用,应该依然需求有很长很长的路要走,目测这期间将必定会阅历很多的用户反应和产品迭代。


个人以为,从长时间看,多圈磁编肯定是会有其一席之地的,毕竟,本钱优势在那儿放着呢;而且,理论上讲,这种肯定值编码器的圈数量程简直可以说是没有约束的。但条件有必要是先处理好上面所说的这些问题。


而就现在看,多圈磁编或许更合适用于那些对牢靠性要求不那么苛刻的方位检测运用;而若需求方位反应具有较高的动态呼应特性,比较牢靠的做法,或许仍是运用机械齿轮式的多圈肯定值编码器。


另外,要完成多圈肯定方位反应,其实还有一种十分简略的办法,就是在单圈肯定值编码器的机械轴输入端加装一支行星齿轮减速机,成倍提高编码器的圈数丈量规模。


明显,遭到机械结构的约束,这种多圈反应方法的检丈量程并不会太大;一起,以单圈方位编码掩盖较长的运动行程,其反应精度也一定是大打折扣的。因而,比较合适那些对丈量精度和行程都要求都不太高的经济型运用场合。


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