发表于：2013/3/8 14:41:07
#0楼
二. 编码器选型
A. 编码器的功能，做为速度及位置的回馈。
B. 编码器的种类
B1.以讯号输出方式可分成脉冲 、弦波、 通讯格式
B2.以输出命令可分成 增量式、绝对式、 绝对式(编码)
B3.以工作原理来分有光电(旋转编码器 光学尺)、磁感式编码器(齿轮)、磁环式编码器(磁环 磁性尺)、磁编码器(霍尔组件 分割磁力线)、 线圈式(旋转变压器 resolver)。
B4 以机械结构来分有轴心式、中空式、惯穿式
C. 编码器的规格：上述B编码器的规格除了旋变之外， 都符合B1 B2 之通用规格，这样我们在选型配套上才会有标准。
C1.输入电压：多数高频的编码器(带宽100Khz以上)，都是5V(输入电压的稳定性要求较高)，也有给5—30V。
C2.输出讯号：现今都使用电压式(早期还有电流式 现已经很少)， 通用的输出电压在5V(实际上3V已上系统就可正常工作)，5V方波TTL 、24V方波HTL，另外弦波的输出电压1Vpp。
C3。讯号种类： A、 B、 Z A相讯号、 B相讯号 、Z相讯号(原点讯号 I)，长线驱动 多/A 、/B 、/Z 抗干扰效果较佳，为何抗干扰效果较佳呢?
C4.1编码器的分辨率(分辨率)： (分辨率)ppr、 cpr 编码器转一圈输出多少个脉冲数,方波可再4倍频, 旋波可任意倍频. 高分辨率的伺服驱动多数讲的是2的幂次方, 也就是多少位,这已经过驱动器内部运算指令转换成奇特殊码(code)之绝对命令, 并非是方波, 另外绝对式编码器也是类似此特殊码输出,期分辨率也使用多少位来表示(17位)。
C4.2 光学尺一般不用分辨率,而是用步距,也就是移动一个脉冲的距离为例如 1um(多数经过4倍频)。
图一 方波4倍频
![附件]()
图二 弦波4倍频
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C4.3 编码器如何去判断速度、位置，一般线路板内有多刻的石英震荡器 这就是此系统的时钟，所以在多少时间计数器所计数的脉冲数除以分辨率，所得的就是转速。再来如何判断正转、反转，我们来看图一，有A相讯号及B相讯号，从图一可以看到(由左往右看)A超前B(90度)，那这就是正转，反过来B超前A那就是反转。 哪个是A 哪个是B，请看编码器输出脚位定义,只要按接线按定义来接那就对的,那位置怎样检测 还记得分辨率的定义吗,编码器转一圈所输出的脉冲数,假如此编码器其分辨率为360PPR,那转半圈也就输出180个脉冲,还有原点讯号,就能告诉系统总供转了多少圈,多少个脉冲,换算每个脉冲当量,那位置就出来了.
C5.1带宽输出 任何电器都有其工作频率 这就伴随这讯号输出的快慢 这带宽都是个固定常数 所以低速高分辨率 高速低分辨率 就是受限这带宽 以下这个公式请各位务必记下来 编码器输出的带宽= 编码器的分辨率X伺服电机的转速 X 1/60 X 1/1000 此公式是针对增量式的编码器 我简单的记下一组数据可提供大家参考 . 170KHz等于编码器分辨率1024PPr 在10,000rpm
C5.2 进口光电式编码器 多数标准带宽为100Khz 可选配到200KHz 国内光电编码器多数为200KHz
C5.3 磁感式编码器(我司 IGS产品)他就是真正高频的传感器 他的输出带宽高达600KHz 可选配到2MHz 进口的也多在200KHz 在参考选型的案例 会以此来做说明
还有许多编码器依每家的规格不同有不同的带宽 在此不多说 但大家要了解的是带宽所扮演的角色 就是限制了系统的最高速度
以上介绍都是有关编码器的基本概念 当对上述的术语及定义都清楚 那就可进入编码器的选型
D 编码器怎样选型
D.1 考虑用在哪里 用在机械端 还是电机端 这就会牵扯到机构的安装 若安装在电机端 利用电机的轴心 可找中空式 若用机械端的传动那就考虑用轴心式 另外惯穿式的编码器多用在大口径的轴心上(他的技术门坎高 不好做 要将码盘线路板惯穿 有只有做大盘面 才有机会)
D2. 考虑与系统的搭配 我使用哪种控制器 PLC 运动控制 还是数控系统 不同的控制器 会有不同的接口(接口) 编码器输出的接口 与控制器端输入的接口 是要相同
编码器的接口是方波 那控制器的接口也是要方波
编码器是PNP NPN 那控制器也是要相同的规格
D3. 编码器的绝对式与增量是命令的选用 我们从示波器可以看到增量式完全是由几路脉冲所构成 这些都需透过计数器来计数来运算其位置 但断电时这些脉冲都消失不见 包括已经被计数的位置也都消失 若再重新启动 就必须再重新找原点 这是比较麻烦 所以在欧洲又研制了绝对式的编码器 他的指令不是脉冲的讯号 而是代码的输出 所以其上位系统(驱动器 控制器)的接口 其格式必须是相同 因其市场的范围较小 又受限于上位系统 价格偏高维修成本也是 尤其多圈高分辨率的编码器
D4.编码器分辨率高低的选用 理论上高精度半随着高分辨率 高分辨率的编码器有许多的好处 在精度 在低速 再提升电机的有效功率 都有不错的表现 但需要各种配套匹配 这样在速度及精度才能取得平衡点 那分辨率的值要小于精度的值有的厂家建议在10倍左右
D5. 弦波与方波的选用 弦波是欧美的强项 期技术门坎也较高 所以价格也较偏高 当然多数的人员会选用弦波 只因他们可能使用的数控系统是西门子 海德汉这些高档的术控系统 而来选用弦波 除此之外还有哪些运用适合弦波
D5.1. 高分辨率的编码器 如分度的运用 高位数之伺服系统 如需要的分辨率千分之一度 那所需要的编码器就需90,000PPR 那买一颗90,000PPR 的编码器 那你得花多少钱 另外此编码器体积若太大 你就可用弦波的编码器加倍频转换器 如用3600的弦波 加25倍的倍频转换器 那就输出90,000脉冲 这是性价比较高的做法 那伺服电机的高分辨率又是怎么做出来 同样的方法 电机内置弦波的编码器 再经过仿真量倍频转换成高解析之脉冲讯号 最终转换成编码的绝对命令 这部份我们仅需知道 跟我们编码器选型无关
D5.2 抗干扰效果优于脉冲 噪声跟脉冲波都是由电流及电压构成 系统很难去判别哪个是噪声 哪个是脉冲讯号 系统只要触发到上升沿 他就计数 弦波他是连续波 上面纵有噪声 系统绝不会误判
D5.3 使用弦波编码器可有效的降低电机的无效功 而表现出来就是电机的扭力提升
以上写的都跟编码器的电器规格有关 以下所写的就跟使用的环境有关
D6.编码器一般可装在电机的后端 或者用同步带来传动 透过不同的机构来做间接传动都会有间隙的产生 对于高精度设备 这样的间隙误差是无法接受 若机构是做直线运动 那可建议选用 光学尺 磁性尺 他可消除间隙之外 还可避免温升造成热膨胀 若是用在主轴定位 那只有用磁感式的编码器 可以安装在机械主轴上或电主轴上 这样就减去同步带的传动 永远跟主轴做同步运动 没有间隙误差的产生
D7. 编码器可以看成是小型精密的仪器 那这精密的仪器最怕甚么 最怕震动尤其他的码盘多为玻璃蚀刻而成 刚性的传导很容易将玻璃弄破 那你的选型只有两种 属于耐震动 那只有旋变及磁感式的 那旋变是5Vpp的弦波 注意其配套上位的接口 还有期安装同心圆要求高 否则会造成弦波的准位乱跳动 这就很麻烦
D7.多数的编码器其转速多数不高 多数大概在6000RPM 不是其输出的带宽不够而是受限期机械结构 或者是其安装的精度 以至把速度降下来 否则安装的偏差 很容易将码盘打破 所以目前在高速高频的编码器 只有磁感式的编码器做的到 目前有做过的项目 超过60,000rpm
D8.防护等级的要求 编码器完全是靠硬件的动做 来发出讯号 光电式编码器靠的是线路与机械结构完全做在一起 这样的防护等级都不会太高 多数都在IP50 要求高些顶多做在IP67 所需的费用就很高了 再切削主轴 因其高转速 在电机的内部转子高速旋转 会产生虹吸效应 也就是将电机内部的气体排除形成真空 当然就会将外部的油气 水汽吸引进来 而将编码器的码盘或线路污染 而让编码器的讯号失效 甚至损坏
E案例说明 高速电主轴 3.7KW 转速30000rpm 4极异步电机 刀柄BT30 怎样选用编码器
这理不仅是需选择编码器 也需选择变频器 我们一并来说
E1.由D的说明可以确认 要到30000rpm 只有磁感式编码器可供选择 那我们来看看什么是磁感式编码器
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由上图可以看出 此编码器是由两个套件所构成 读数头及齿轮
由上图可以看出此编码器是增量的编码器 有方波有弦波两种可供选择 另外在做刚攻 或自动换刀 编码器的分辨率一般要求不太高 大概在512---1024ppr 都够用了 所以我们选GST标准的4倍频就够了 再来就只有确认齿轮的规格
我们可以看到上图 齿轮规格 可以看到齿轮的模数有0.4 mm 有 0.5mm 两种规格 他跟编码器的分辨率无关 只会影响齿轮的大小 在同样的齿数 模数月大 她的外径越大 如GR04-256A01 与 GR05-256A01 前者的外径为103.2mm 后者得外径为129mm 相对应他得内径分别为82mm 与 95mm 所以此编码器真正的选型关键键是在选此齿轮的大小 能符合转子的轴心大小 包刮齿数的多寡 齿数越多当然外径越大 另外分辨率也会越大
E2。若我们要车铣复合的主轴 C轴定位要求0.001度 那此编码器要怎么选
要求到0.001度那此编码器的分辨率需达90,000PPR 在4倍频那就360,000PPR 但那车铣复合的主轴转速最高再8,000rpm 那系统要接收的带宽高达12000Khz 这是做不到 若用一般主轴编码器 那其分辨率又太低 那这样该如何选型 才能符合要求以下这图 可以看出法兰克FANUC 两个磁式编码器的架构
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一个编码器是方波的 另一个就是弦波的编码器 方波做为车牙用 旋波做为C轴定位用 许多客户都异想天开 我想用一颗编码器 来处理C轴及主轴定位功能 那是不可能 关键不在编码器而是在数控器上 或驱动器的接口及带宽的限制
F结论:上面所介绍其实就是一个匹配的概念 不管在机械结构上 各个电气功能要求上 或是环境的要求 都是存在匹配上的观念 能够做适当的匹配就是最佳的选型
F1. 那大家来真对风力发电机有四颗编码器 我们如何选择一颗适合所用之编码器呢? 给大家去思考
F2。那电梯的编码器 同步电机(24极) 搭配KEB矢量变频 你又如何选择适当的编码器?
A. 编码器的功能，做为速度及位置的回馈。
B. 编码器的种类
B1.以讯号输出方式可分成脉冲 、弦波、 通讯格式
B2.以输出命令可分成 增量式、绝对式、 绝对式(编码)
B3.以工作原理来分有光电(旋转编码器 光学尺)、磁感式编码器(齿轮)、磁环式编码器(磁环 磁性尺)、磁编码器(霍尔组件 分割磁力线)、 线圈式(旋转变压器 resolver)。
B4 以机械结构来分有轴心式、中空式、惯穿式
C. 编码器的规格：上述B编码器的规格除了旋变之外， 都符合B1 B2 之通用规格，这样我们在选型配套上才会有标准。
C1.输入电压：多数高频的编码器(带宽100Khz以上)，都是5V(输入电压的稳定性要求较高)，也有给5—30V。
C2.输出讯号：现今都使用电压式(早期还有电流式 现已经很少)， 通用的输出电压在5V(实际上3V已上系统就可正常工作)，5V方波TTL 、24V方波HTL，另外弦波的输出电压1Vpp。
C3。讯号种类： A、 B、 Z A相讯号、 B相讯号 、Z相讯号(原点讯号 I)，长线驱动 多/A 、/B 、/Z 抗干扰效果较佳，为何抗干扰效果较佳呢?
C4.1编码器的分辨率(分辨率)： (分辨率)ppr、 cpr 编码器转一圈输出多少个脉冲数,方波可再4倍频, 旋波可任意倍频. 高分辨率的伺服驱动多数讲的是2的幂次方, 也就是多少位,这已经过驱动器内部运算指令转换成奇特殊码(code)之绝对命令, 并非是方波, 另外绝对式编码器也是类似此特殊码输出,期分辨率也使用多少位来表示(17位)。
C4.2 光学尺一般不用分辨率,而是用步距,也就是移动一个脉冲的距离为例如 1um(多数经过4倍频)。
图一 方波4倍频
图二 弦波4倍频
C4.3 编码器如何去判断速度、位置，一般线路板内有多刻的石英震荡器 这就是此系统的时钟，所以在多少时间计数器所计数的脉冲数除以分辨率，所得的就是转速。再来如何判断正转、反转，我们来看图一，有A相讯号及B相讯号，从图一可以看到(由左往右看)A超前B(90度)，那这就是正转，反过来B超前A那就是反转。 哪个是A 哪个是B，请看编码器输出脚位定义,只要按接线按定义来接那就对的,那位置怎样检测 还记得分辨率的定义吗,编码器转一圈所输出的脉冲数,假如此编码器其分辨率为360PPR,那转半圈也就输出180个脉冲,还有原点讯号,就能告诉系统总供转了多少圈,多少个脉冲,换算每个脉冲当量,那位置就出来了.
C5.1带宽输出 任何电器都有其工作频率 这就伴随这讯号输出的快慢 这带宽都是个固定常数 所以低速高分辨率 高速低分辨率 就是受限这带宽 以下这个公式请各位务必记下来 编码器输出的带宽= 编码器的分辨率X伺服电机的转速 X 1/60 X 1/1000 此公式是针对增量式的编码器 我简单的记下一组数据可提供大家参考 . 170KHz等于编码器分辨率1024PPr 在10,000rpm
C5.2 进口光电式编码器 多数标准带宽为100Khz 可选配到200KHz 国内光电编码器多数为200KHz
C5.3 磁感式编码器(我司 IGS产品)他就是真正高频的传感器 他的输出带宽高达600KHz 可选配到2MHz 进口的也多在200KHz 在参考选型的案例 会以此来做说明
还有许多编码器依每家的规格不同有不同的带宽 在此不多说 但大家要了解的是带宽所扮演的角色 就是限制了系统的最高速度
以上介绍都是有关编码器的基本概念 当对上述的术语及定义都清楚 那就可进入编码器的选型
D 编码器怎样选型
D.1 考虑用在哪里 用在机械端 还是电机端 这就会牵扯到机构的安装 若安装在电机端 利用电机的轴心 可找中空式 若用机械端的传动那就考虑用轴心式 另外惯穿式的编码器多用在大口径的轴心上(他的技术门坎高 不好做 要将码盘线路板惯穿 有只有做大盘面 才有机会)
D2. 考虑与系统的搭配 我使用哪种控制器 PLC 运动控制 还是数控系统 不同的控制器 会有不同的接口(接口) 编码器输出的接口 与控制器端输入的接口 是要相同
编码器的接口是方波 那控制器的接口也是要方波
编码器是PNP NPN 那控制器也是要相同的规格
D3. 编码器的绝对式与增量是命令的选用 我们从示波器可以看到增量式完全是由几路脉冲所构成 这些都需透过计数器来计数来运算其位置 但断电时这些脉冲都消失不见 包括已经被计数的位置也都消失 若再重新启动 就必须再重新找原点 这是比较麻烦 所以在欧洲又研制了绝对式的编码器 他的指令不是脉冲的讯号 而是代码的输出 所以其上位系统(驱动器 控制器)的接口 其格式必须是相同 因其市场的范围较小 又受限于上位系统 价格偏高维修成本也是 尤其多圈高分辨率的编码器
D4.编码器分辨率高低的选用 理论上高精度半随着高分辨率 高分辨率的编码器有许多的好处 在精度 在低速 再提升电机的有效功率 都有不错的表现 但需要各种配套匹配 这样在速度及精度才能取得平衡点 那分辨率的值要小于精度的值有的厂家建议在10倍左右
D5. 弦波与方波的选用 弦波是欧美的强项 期技术门坎也较高 所以价格也较偏高 当然多数的人员会选用弦波 只因他们可能使用的数控系统是西门子 海德汉这些高档的术控系统 而来选用弦波 除此之外还有哪些运用适合弦波
D5.1. 高分辨率的编码器 如分度的运用 高位数之伺服系统 如需要的分辨率千分之一度 那所需要的编码器就需90,000PPR 那买一颗90,000PPR 的编码器 那你得花多少钱 另外此编码器体积若太大 你就可用弦波的编码器加倍频转换器 如用3600的弦波 加25倍的倍频转换器 那就输出90,000脉冲 这是性价比较高的做法 那伺服电机的高分辨率又是怎么做出来 同样的方法 电机内置弦波的编码器 再经过仿真量倍频转换成高解析之脉冲讯号 最终转换成编码的绝对命令 这部份我们仅需知道 跟我们编码器选型无关
D5.2 抗干扰效果优于脉冲 噪声跟脉冲波都是由电流及电压构成 系统很难去判别哪个是噪声 哪个是脉冲讯号 系统只要触发到上升沿 他就计数 弦波他是连续波 上面纵有噪声 系统绝不会误判
D5.3 使用弦波编码器可有效的降低电机的无效功 而表现出来就是电机的扭力提升
以上写的都跟编码器的电器规格有关 以下所写的就跟使用的环境有关
D6.编码器一般可装在电机的后端 或者用同步带来传动 透过不同的机构来做间接传动都会有间隙的产生 对于高精度设备 这样的间隙误差是无法接受 若机构是做直线运动 那可建议选用 光学尺 磁性尺 他可消除间隙之外 还可避免温升造成热膨胀 若是用在主轴定位 那只有用磁感式的编码器 可以安装在机械主轴上或电主轴上 这样就减去同步带的传动 永远跟主轴做同步运动 没有间隙误差的产生
D7. 编码器可以看成是小型精密的仪器 那这精密的仪器最怕甚么 最怕震动尤其他的码盘多为玻璃蚀刻而成 刚性的传导很容易将玻璃弄破 那你的选型只有两种 属于耐震动 那只有旋变及磁感式的 那旋变是5Vpp的弦波 注意其配套上位的接口 还有期安装同心圆要求高 否则会造成弦波的准位乱跳动 这就很麻烦
D7.多数的编码器其转速多数不高 多数大概在6000RPM 不是其输出的带宽不够而是受限期机械结构 或者是其安装的精度 以至把速度降下来 否则安装的偏差 很容易将码盘打破 所以目前在高速高频的编码器 只有磁感式的编码器做的到 目前有做过的项目 超过60,000rpm
D8.防护等级的要求 编码器完全是靠硬件的动做 来发出讯号 光电式编码器靠的是线路与机械结构完全做在一起 这样的防护等级都不会太高 多数都在IP50 要求高些顶多做在IP67 所需的费用就很高了 再切削主轴 因其高转速 在电机的内部转子高速旋转 会产生虹吸效应 也就是将电机内部的气体排除形成真空 当然就会将外部的油气 水汽吸引进来 而将编码器的码盘或线路污染 而让编码器的讯号失效 甚至损坏
E案例说明 高速电主轴 3.7KW 转速30000rpm 4极异步电机 刀柄BT30 怎样选用编码器
这理不仅是需选择编码器 也需选择变频器 我们一并来说
E1.由D的说明可以确认 要到30000rpm 只有磁感式编码器可供选择 那我们来看看什么是磁感式编码器
由上图可以看出 此编码器是由两个套件所构成 读数头及齿轮
由上图可以看出此编码器是增量的编码器 有方波有弦波两种可供选择 另外在做刚攻 或自动换刀 编码器的分辨率一般要求不太高 大概在512---1024ppr 都够用了 所以我们选GST标准的4倍频就够了 再来就只有确认齿轮的规格
我们可以看到上图 齿轮规格 可以看到齿轮的模数有0.4 mm 有 0.5mm 两种规格 他跟编码器的分辨率无关 只会影响齿轮的大小 在同样的齿数 模数月大 她的外径越大 如GR04-256A01 与 GR05-256A01 前者的外径为103.2mm 后者得外径为129mm 相对应他得内径分别为82mm 与 95mm 所以此编码器真正的选型关键键是在选此齿轮的大小 能符合转子的轴心大小 包刮齿数的多寡 齿数越多当然外径越大 另外分辨率也会越大
E2。若我们要车铣复合的主轴 C轴定位要求0.001度 那此编码器要怎么选
要求到0.001度那此编码器的分辨率需达90,000PPR 在4倍频那就360,000PPR 但那车铣复合的主轴转速最高再8,000rpm 那系统要接收的带宽高达12000Khz 这是做不到 若用一般主轴编码器 那其分辨率又太低 那这样该如何选型 才能符合要求以下这图 可以看出法兰克FANUC 两个磁式编码器的架构
一个编码器是方波的 另一个就是弦波的编码器 方波做为车牙用 旋波做为C轴定位用 许多客户都异想天开 我想用一颗编码器 来处理C轴及主轴定位功能 那是不可能 关键不在编码器而是在数控器上 或驱动器的接口及带宽的限制
F结论:上面所介绍其实就是一个匹配的概念 不管在机械结构上 各个电气功能要求上 或是环境的要求 都是存在匹配上的观念 能够做适当的匹配就是最佳的选型
F1. 那大家来真对风力发电机有四颗编码器 我们如何选择一颗适合所用之编码器呢? 给大家去思考
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