#02 编码器基础知识

技术说明

编码器类别及架构


编码器的技术解说系列的第2讲。
本集团将向有意学习编码器的人士及有意识的人士解释其工作, 因为本公司其他部门的人士处理编码器。

  • 编码器通过传感器元件检测旋转, 作为物理变动量, 最终将旋转及角度信息作为电信号向外部发出。
  • 如果将编码器按检测方式进行分类,则可分为机械式、光学式和磁式、电磁感应式等4种。
  • 为了使马达准确地旋转, 需要的信息有旋转量、旋转速度、旋转方向、旋转位置等4种。 

2-1. 检测旋转及角度的机制如何?

图 1 将旋转运动转换为旋转资料的过程

首先, 编码器指检测旋转角度、线性位移及速度的传感器。传感器指检测自然环境变化的元件或电子部件。例如, 光学传感器检测光的开启╱关闭, 而磁性传感器检测磁场分布。

传感器的工作并不仅限于此。通过将检测到的物理量的变动作为电信号输出, 能够首次向外部发出信息。如图1所示, 编码器处理传感器元件输出的电信号, 并最终以数字或模拟电信号向外发出旋转及角度资料。

2-2. 旋转将改变物理量?

由于所检测的物理量的差异导致传感器的检测方式不同, 因此, 本集团成为决定编码器特点 (优点及短处) 的重要组成部分。如果将编码器按检测方式进行分类的话, 有以下4种。

◆ 机械(接触式)

图 2 机械 (接触式) 编码器的示意图

以电阻与旋转角度成比例变化的可变电阻检测旋转位置的方式。该等机械编码器一般称为电位计。当滑块在电阻器上移动时, 电位计的电阻值与滑块的移动距离成比例地变动。

◆ 光学

该方法在安装于电动机轴上的被称为码盘的旋转圆盘的放射方向上开设狭缝 (孔), 用光传感器检测光是否透过狭缝。透过狭缝, 光脉冲信号发生变动, 计算脉冲数量, 可知马达轴的旋转量。第4讲, 解说动作原理和特⾧。

图 3 光学编码器的示意图

◆ 磁性

图 4 磁性编码器的示意图

以磁传感器读取安装于电动机轴的永磁铁所产生的磁场分布的变动。电动机转动时, 永磁体的磁场分布也会发生变化, 因此, 磁性传感器检测到电动机轴的转动位置。第5讲, 解说动作原理和特⾧。

◆ 电磁感应

读取安装于电动机轴的感应线圈 (励磁线圈) 与固定线圈 (检测线圈) 之间产生的磁场变化的方式。基本原理与使用电磁感应的变压器相同, 该编码器称为分解器。
由于使用电刷的接触方式, 旋转变压器的旋转感应线圈的供电可能会受到磨损风险, 因此, 旋转变压器的旋转感应线圈的供电方式有所改善。

图 5 电磁感应编码器的示意图

2-3. 旋转及角度资料的种类如何?

我们的转动是怎样的? 以电动机为例, 本集团会停止、顺时针转动、逆时针转动、以恒定速度转动、加速或减速。为了准确把握这些状态, 使马达高精度旋转所需的信息大致分为以下4种。

◆ 转数

图 6 转数说明

有关电动机轴角度移动多少次的资料。

例如, 在无刷直流电动机中, 通过检测转子的磁极变化, 能够掌握转子的旋转量, 使电动机高精度地旋转。

◆ 转速

该资料显示电动机转动速度有多快。

本公司将检测无刷直流电动机及交流电动机的转速, 并进行反馈控制, 以达到伺服放大器所设定的转速, 如第一段所述。

◆ 旋转方向

该资料显示电动机轴以顺时针方向 (CW:Clockwise) 或逆时针方向 (CCW:Counter Clockwise) 转动。 

就根据编码器输出的脉冲数目检测电机转动量的系统而言, 如无法确认转动方向, 则会错误计量转动量。

图 7 顺时针及逆时针方向

◆ 旋转位置

有关电机轴的角度位于多少度的资料。

本公司将使用编码器检测旋转角度, 并对其进行反馈控制, 以达到目标旋转角度, 同时判断其是否已移动至目标旋转角度, 如上文第一段所述。由此, 本集团以高精度提供定位控制。

怎么样?

本公司现已介绍编码器的类别及架构。笔者认为, 为了使马达准确地旋转, 需要4个旋转信息, 以及根据检测物理量不同而动作原理不同的4种编码器。

下届会讨论 增量方法和绝对方法

 

 

总结

  • 编码器通过传感器元件检测旋转, 作为物理变动量, 最终将旋转及角度信息作为电信号向外部发出。
  • 如果将编码器按检测方式进行分类, 则可分为机械式、光学式和磁式、电磁感应式等4种。
  • 为了使马达准确地旋转, 需要的信息有旋转量、旋转速度、旋转方向、旋转位置等4种。 

第1栏 检测线性位移的编码器

在铣床、钻床等要求定位精度的机床中, 使用检测直线位移的编码器。检测直线位移的方法有以下2种。

◆ 一种使用线性编码器检测线性位移的方法, 该线性编码器是线性 (平移) 型编码器

该编码器包括标尺 (刻度), 用作检测位置信息, 以及检测器。亦称为线性标尺。检测方式与旋转编码器相同, 有使用光反射的光学式及使用磁性的磁性方式。

图 8a 光学线性编码器
图 8b 磁性线性编码器

◆ 将旋转运动转换为直线运动, 用旋转编码器检测旋转位移的方法

将螺杆的旋转运动转换为螺母的直线运动的机构称为螺杆进给机构。代表性的是滚珠丝杠, 在丝杠轴与螺母之间放入钢球 (滚珠), 使丝杠轴旋转时, 由于滚珠的滚动运动, 螺母在直线上移动。

滚珠丝杠的线性位移可以使用有关丝杠轴的旋转位置及转数的资料检测。滚珠丝杠由于能够实现高定位精度, 故用于机床、计量器、复印机及打印机。

图 9 螺杆进给机构的示意图