角度編碼器：如何使用編碼器測(cè)量角度

角度編碼器測(cè)量負(fù)載相對(duì)于軸或點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)位置。角度編碼器提供與位移相對(duì)應(yīng)的輸出，讀取設(shè)備（PLC、計(jì)數(shù)器等）將該數(shù)據(jù)處理為角度讀數(shù)。使用Dynapar編碼器測(cè)量角度的三種方法：

1、使用安裝在負(fù)載樞軸點(diǎn)上的編碼器進(jìn)行直接角度測(cè)量
2、使用安裝在電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)上的編碼器進(jìn)行間接角度測(cè)量
3、使用沿負(fù)載圓周安裝的多圈編碼器進(jìn)行間接角度測(cè)量

通過(guò)跟蹤負(fù)載直接測(cè)量角度

為了直接測(cè)量負(fù)載的角位移，Dynapar編碼器應(yīng)安裝在負(fù)載的中心樞軸點(diǎn)上。隨著負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器將信號(hào)中繼到接收設(shè)備。該數(shù)據(jù)僅包含位移脈沖（增量編碼器）或初始和最終絕對(duì)位置（絕對(duì)編碼器）。讀取設(shè)備，無(wú)論是驅(qū)動(dòng)器、控制器還是某種類型的計(jì)數(shù)器/顯示設(shè)備，都需要將原始數(shù)據(jù)處理成有用的信息。


在增量編碼器的情況下，角度α可以表示為


其中 P 等于脈沖數(shù)，PPR 等于每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)

在絕對(duì)編碼器的情況下，角度α可以表示為


其中 C 等于計(jì)數(shù)，CPR 等于每轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)。

通過(guò)跟蹤電機(jī)軸進(jìn)行間接角度測(cè)量

也可以通過(guò)監(jiān)控電機(jī)軸或惰輪來(lái)測(cè)量負(fù)載的角位移。在這種情況下，我們通過(guò)將電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定次數(shù)并將其與負(fù)載的位移相關(guān)聯(lián)以得出轉(zhuǎn)換系數(shù)來(lái)獲得最佳結(jié)果。


這是旋轉(zhuǎn)編碼器的傳統(tǒng)用例。它具有通過(guò)直接反饋提高電機(jī)性能的好處。缺點(diǎn)是它可能無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤負(fù)載的移動(dòng)。由聯(lián)軸器、齒輪箱等引入的機(jī)械順應(yīng)性可能會(huì)引入間隙和滯后等誤差。理論上，轉(zhuǎn)換因子考慮了這一點(diǎn)，但機(jī)械效應(yīng)會(huì)隨著時(shí)間而漂移。

通過(guò)跟蹤負(fù)載邊緣進(jìn)行間接測(cè)量

某些負(fù)載與中心樞軸編碼器安裝不兼容。例如，衛(wèi)星天線需要旋轉(zhuǎn)以指向感興趣的信號(hào)方向，以進(jìn)行高度控制。機(jī)械設(shè)計(jì)和通過(guò)中心軸的電氣電纜的存在使得無(wú)法在樞軸點(diǎn)安裝編碼器以直接監(jiān)控位置。根據(jù)控制程度，可能還需要極高分辨率的丹納帕編碼器。解決方案是沿著它們的圓周跟蹤這些設(shè)備。


在間接圓周方法中，連接到多圈絕對(duì)編碼器的齒輪與負(fù)載的圓周嚙合以跟蹤其角位移。

當(dāng)負(fù)載上的帶子移動(dòng)過(guò)去時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)輪子，并且編碼器會(huì)記錄運(yùn)動(dòng)。齒輪箱的減速比使其能夠?yàn)辇X輪的每轉(zhuǎn)提供大量的旋轉(zhuǎn)。這提供了最終分辨率 RF，由下式給出：


其中 RB 是帶上的計(jì)數(shù)，N 是多圈編碼器上齒輪箱的減速比。接觸可以包括與負(fù)載上的齒帶嚙合的齒輪?；蛘?，它可能是來(lái)自編碼器測(cè)量輪甚至皮帶的摩擦接觸。

誤差源包括機(jī)械聯(lián)軸器、齒輪箱的間隙、軸跳動(dòng)和偏心、摩擦接觸情況下的皮帶打滑等。齒輪箱的高減速比將機(jī)械誤差的影響降至最低。例外情況是齒輪箱的傳動(dòng)裝置和密封件中的摩擦。在這種情況下，摩擦的影響乘以圈數(shù)。

增量與絕對(duì)角度編碼器

增量角度編碼器只能記錄從啟動(dòng)時(shí)建立的一些任意定義的起始位置的位移。這個(gè)原始位置，通常稱為索引，在代碼盤的一整圈旋轉(zhuǎn)中僅產(chǎn)生一個(gè)脈沖。這使處理編碼器信號(hào)的設(shè)備能夠跟蹤丹納帕編碼器盤從原始位置開(kāi)始的整圈數(shù)。但是，索引脈沖不是唯一的，因此如果設(shè)備斷電并且必須在啟動(dòng)時(shí)重新歸位，則計(jì)數(shù)的完整旋轉(zhuǎn)次數(shù)通常會(huì)丟失。

絕對(duì)角度編碼器為碼盤的每個(gè)位置輸出一個(gè)唯一的數(shù)字字。多圈絕對(duì)角度編碼器還使用數(shù)字字跟蹤整圈的總數(shù)。因此，無(wú)需歸位，并且在設(shè)備斷電時(shí)信息不會(huì)丟失。打開(kāi)絕對(duì)角度編碼器的那一刻，它可以通過(guò)讀取該特定角度的數(shù)字字來(lái)準(zhǔn)確報(bào)告它的位置。

使用正交角編碼器實(shí)現(xiàn)更高的分辨率

對(duì)正交角度編碼器的信號(hào)進(jìn)行插值還可以顯著提升性能，具體取決于實(shí)現(xiàn)方式。如果接收設(shè)備的處理器將 A 脈沖和 B 脈沖的前沿和后沿視為單獨(dú)的脈沖，它將使角度編碼器的有效分辨率提高四倍。例如，這種插值技術(shù)可以使行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 1024 PPR 正交編碼器解析僅 0.088 度的角度。

但是，應(yīng)該注意的是，任何錯(cuò)誤都會(huì)與分辨率一起成倍增加。這些可能會(huì)降低性能，這意味著通過(guò)插值創(chuàng)建更高分辨率來(lái)提高系統(tǒng)精度的嘗試可能會(huì)產(chǎn)生放大錯(cuò)誤和降低系統(tǒng)性能的意外結(jié)果。這是更高的分辨率如何不提高準(zhǔn)確性的一個(gè)例子。在此處了解有關(guān)編碼器精度與編碼器分辨率的更多信息。

正交角度編碼器還允許監(jiān)控旋轉(zhuǎn)方向。在正交編碼器中，圓盤有兩組獨(dú)立的標(biāo)記（通道），它們是偏移的，因此 B 通道的信號(hào)與 A 通道的信號(hào)相位相差 90 度（正交）。這使得接收設(shè)備能夠確定旋轉(zhuǎn)方向。

覺(jué)見(jiàn)問(wèn)題：如何測(cè)量角度到 0.1 度？

答：假設(shè)您直接測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸，首先確定所需的分辨率。如果要測(cè)量到 0.1 度，首先確定該數(shù)字是否適用于分辨率或準(zhǔn)確度。如果是分辨率，則需要每度 10 個(gè)脈沖的丹納帕編碼器。將其乘以 360 度，您將獲得所需的 3600 PPR 分辨率。

因此，可以使用 3600PPR 角度編碼器?；蛘?，解碼正交編碼器的 A 通道和 B 通道的上升沿和下降沿，您可以將 900PPR 角度編碼器的分辨率提高四倍，以實(shí)現(xiàn)相同的有效分辨率，盡管任何錯(cuò)誤也會(huì)被放大。

可惜的是，這只是理論上的準(zhǔn)確性。評(píng)估Dynapar編碼器控制系統(tǒng)中任何可能的錯(cuò)誤，包括對(duì)齊、機(jī)械連接、系統(tǒng)間隙等。如果系統(tǒng)無(wú)法物理定位到 0.1 度，您可能需要降低分辨率規(guī)格。

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