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旋轉編碼器

Rotary_TG_TW_7_2
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概要參考資料

何謂旋轉編碼器

所謂旋轉編碼器是可將旋轉的機械位移轉換為電氣訊號,然後處理此訊號以檢測位置、速度的感測器。檢測直線機械位移的感測器稱為線性編碼器。

優勢
  1. 依據軸的旋轉位移執行輸出。
    藉由在軸上結合聯軸器,可直接檢測旋轉位移。

  2. 起動時不需要回歸原點。
    (僅限絕對型)
    若為絕對型,將以絕對數值輸出旋轉角度。

  3. 亦可檢測旋轉方向。
    若為增量型,可藉由A相與B相的輸出時序而了解旋轉方向,若為絕對型,則可藉由編碼的增減而了解旋轉方向。

  4. 可依據多種解析度與輸出形式,選擇最適合的感測器。
    請依據需要的精度、成本及連接迴路等條件,選擇適合的感測器。
原理

分類

■選擇重點

  1. 增量型或絕對型
    考慮容許成本、電源起動時可否回歸原點、控制速度、抗干擾性等因素,選擇適合的類型。

  2. 多少的解析度比較理想
    考慮所組裝的機械裝置要求的精度與機械的成本,選擇最適當的產品。請選擇解析度約機械系統精度1/2~1/4精度的產品。

  3. 外觀尺寸
    選擇時亦需考慮依據安裝空間的關係所選擇的軸形態(空心軸型、具軸心型)。

  4. 最大軸負載
    依據安裝方式考慮軸負載狀態、機械壽命等因素進行選擇。

  5. 最大允許轉速
    依據使用時的機械最大轉速進行選擇。

  6. 最高響應頻率
    依據所組裝機械裝置使用時的軸最大轉速進行選擇。
    最高響應頻率=(轉速(RPM)/60)× 解析度
    但是,實際的訊號週期各有不同,因此在使用上述計算值時,應選擇尚有餘裕的規格。

  7. 保護構造
    依據使用環境中的灰塵、水、油的程度進行選擇。
    ・僅有灰塵:IP50
    ・也有水:IP52、IP64
    ・有油:防油

  8. 軸的旋轉啟動扭力
    驅動源的扭力有多少?

  9. 輸出迴路方式
    考慮連接的後段機器、訊號的頻率、傳送距離、干擾環境等因素,選擇迴路方式。
    若要長距離傳送,可選擇差動輸出。
專有名詞解說
  • 解析度
    軸旋轉一圈所輸出的增量訊號的脈衝數,或絕對型的絕對位址數。

  • 輸出相
    增量型的輸出訊號數。包括1相型(A相)、2相型(A相、B相)、3相(A相、B相、Z相)型。Z相為轉1圈輸出1次,做為原點訊號使用。

  • 輸出相位差
    軸旋轉時,以相對於A相、B相各訊號相互之間的上升或下降之間的時間偏移量與訊號的1週期時間比值,或以訊號的1週期為360°時的電角度表示。
    A相、B相通常具有電角度90°的相位差。

  • CW
    指順時針旋轉(Clock Wise)方向。意指從軸側觀察時為右旋轉,在此旋轉方向下,通常增量型為A相相對於B相的相位先行輸出,絕對型則為代碼增加的方向。
    與CW方向相反的旋轉稱為逆時針旋轉(CCW, Counter ClockWise)。

  • 輸出負載週期
    軸以定速旋轉時,輸出的平均脈衝週期時間與1週期的H位準時間的比值。

  • 最高響應頻率
    訊號響應並獲得的最大訊號頻率。

  • 上升時間、下降時間
    輸出脈衝的10~90%的時間。

  • 輸出迴路
  1. 開路集極輸出
    以輸出迴路的電晶體的射極做為共點,開放集極的輸出迴路。

  2. 電壓輸出
    以輸出迴路的電晶體的射極做為共點,在集極與電源之間插入阻抗,然後輸出已轉換為電壓的集極的輸出迴路。

  3. 差動輸出
    使用高速、長距離傳送專用IC的輸出方式,也是符合RS422-A規格的資料傳送方式。訊號以微分的2個訊號輸出,因此抗干擾性極佳。
    為了接收差動輸出的訊號,採用名為差動接收器的專用IC。

  4. 補償輸出
    在輸出方面具備NPN與PNP2個輸出電晶體的輸出迴路。
    依據輸出訊號的「H」、「L」,2 組輸出電晶體交互執行「ON」、「OFF」的動作。使用時,請提升、降低至正電源、0V後再行使用。
    補償輸出會出現輸出電流的流出與流入的兩種動作,特徵是訊號上升、下降的速度很快,可大幅延長纜線的距離。
    亦可連接至開路集極輸入裝置(NPN、PNP)。

  • 啟動扭
    旋轉編碼器的軸在旋轉起動時必要的旋轉動能。正常旋轉時,通常比此數值低。軸上設有防水用密封者,啟動扭力值較高。

  • 慣性力矩
    表示旋轉編碼器旋轉啟動、停止時的慣性力的大小。

  • 最大軸負載
    可附加於軸的負載容許量。半徑是以軸的直角方向施加的負載,推力是以軸方向施加的負載。
    兩者皆為在軸旋轉時容許的負載,此負載大小將影響軸承的壽命。

  • 動作環境溫度
    符合規格的環境溫度,包括外氣溫度以及與旋轉編碼器接觸的相關零件的溫度容許值。

  • 保存環境溫度
    在未通電的狀態下,不會引起功能劣化的環境溫度,包括外氣溫度以及與旋轉編碼器接觸的相關零件的溫度容許值。

  • 保護構造
    對於由外部侵入旋轉編碼器之異物的保護結構等級。以IEC60529規格中規定的IP○○表示。
    針對油的保護結構等級,以公司內部規範規定,以防油/耐油表現。

  • 絕對代碼
  1. 二進制代碼
    純二進制代碼,以2n表示的代碼。亦可能以位址的切換產生多個位元的變化。

  2. 格雷碼
    位址切換時,僅1個位元產生變化的代碼。
    旋轉編碼器的代碼板為格雷碼。

  3. 格雷餘碼
    以格雷碼表示36、360、720等2n以外的解析度時所使用的代碼。
    從格雷碼的最上位位元「0」切換為「1」開始,數值較小者與較大者分別僅取得相同區域的情況下,在此範圍內切換代碼的結束與開始時,僅有1個位元的訊號產生變化,並維持格雷碼的性質。藉此,即能以格雷碼設定任意的偶數的解析度。
    但此時,代碼的起點並非從0位址開始,而是從中間的代碼開始,因此實際使用時,必須進行移位處理以轉換從0位址開始的代碼。
    代碼表的範例展示36分割。在此,針對從31位址切換至32位址,以18位址為對象逐一取得,代碼的範圍將為14位址至49位址。
    從49位址切換至14位址時,僅1位元產生變化,因此將維持格雷碼的性質。藉由將此代碼進行14位址移位,轉換為從0位址開始的代碼之後使用。

  4. BCD代碼
    2進制編碼的10進制代碼(Binary Coded Decimal Code)。
    以2進制符號分別表示10進制的各個位數的代碼。

  • 序列傳輸
    相當於同時輸出多位元資料的平行傳輸,將資料依照時間序列,以單一傳輸序列輸出的方式,以節省配線為目的而使用。
    接收訊號的一方將其轉換為平行訊號之後使用。

  • 空心軸型(Hollow Shaft Type)
    旋轉軸為空心軸狀,藉由將驅動側的軸直接連接至空心孔洞,以達到節省軸方向空間的目的。
    採用具有緩衝作用的彈簧片,以吸收驅動軸的震動。

  • 金屬碟盤
    以金屬製作編碼器的旋轉板(碟盤),相較於玻璃的旋轉板(碟盤)具有更高的耐衝擊性。由於縫隙加工的限制,無法支援高解析度。

  • 伺服機安裝
    編碼器的安裝方法之一,使用伺服機安裝用金具,固定住編碼器的凸緣部的安裝方法。
    由於可在暫時固定的狀態下調整編碼器旋轉方向的位置,因此適合必須對準編碼器原點的情況。
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