編碼器可在各種應(yīng)用中為運動提供反饋，例如將病人放在磁共振成像儀的適當位置或以每分鐘300瓶的速度灌裝飲料。在選擇編碼器時用戶必須考慮一些至關(guān)重要的應(yīng)用特性：是跟蹤直線運動還是旋轉(zhuǎn)運動?采用光學(xué)編碼器還是磁性編碼器?此外為成功實現(xiàn)專業(yè)應(yīng)用，用戶還應(yīng)考慮是選擇
增量式編碼器還是絕對式編碼器——即使采用相同的傳感機制，這兩種編碼器的性能也有巨大差異。為實現(xiàn)一個成功的應(yīng)用系統(tǒng)您需要了解上述兩種編碼器的所有相關(guān)特性并做出正確選擇。
顧名思義，絕對式編碼器可以記錄編碼器在一個絕對坐標系上的位置，而增量式編碼器可以輸出編碼器從預(yù)定義的起始位置發(fā)生的增量變化。增量式編碼器需要使用額外的電子設(shè)備(通常是PLC、計數(shù)器或變頻器)以進行脈沖計數(shù)，并將脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為速度或運動數(shù)據(jù)，而絕對式編碼器可產(chǎn)生能夠識別絕對位置的數(shù)字信號。綜上所述，增量式編碼器通常更適用于低性能的簡單應(yīng)用，而絕對式編碼器則是更為復(fù)雜的關(guān)鍵應(yīng)用的最佳選擇——這些應(yīng)用具有更高的速度和位置控制要求。輸出類型取決于具體應(yīng)用。
增量式編碼器
當增量式編碼器移動時，編碼器會產(chǎn)生一個正比于軸旋轉(zhuǎn)速度(旋轉(zhuǎn)編碼器)或運動距離(線性編碼器)的二進制脈沖流。采用光學(xué)編碼器時，放置在LED光源和光傳感器之間的特定樣式的碼盤或直線碼帶可交替導(dǎo)通或阻斷光束，由此產(chǎn)生模擬信號;然后額外電路(通常是板載ASIC)會將模擬信號轉(zhuǎn)換為方波。磁性編碼器可以采用多種機制運行，但都會旋轉(zhuǎn)一個磁場，由此產(chǎn)生電壓脈沖或可以轉(zhuǎn)換為脈沖的電阻變化。
單通道增量式編碼器只能輸出單脈沖流，因此只能提供有限信息。根據(jù)編碼器的分辨率，即旋轉(zhuǎn)編碼器每圈的脈沖數(shù)或線性編碼器運動的運動距離(毫米/英寸)，外部電子設(shè)備可以進行脈沖計數(shù)，并計算速度或相對某個參考坐標(起始位置)的軌道偏移，由此確定編碼器位置。單通道設(shè)計為單向輸送機系統(tǒng)等應(yīng)用提供了出色的解決方案。
單通道編碼器操作簡單、牢固耐用且價格經(jīng)濟，但是它有一個重要缺陷，即無法確定運動方向。確定運動方向需要編碼器具有更多輸出(通常采用相位差為90°的雙通道設(shè)計，實現(xiàn)通道“A”和通道“B”獨立輸出)。由于雙通道編碼器的信號輸出具有 2個上升沿和2個下降沿，因此有時也稱為正交編碼器。運動方向決定哪個通道先到達高電平，這使得處理器可方便地監(jiān)控運動方向(參見圖1)。操作人員可通過觸發(fā)一個或兩個通道的脈沖前沿和后沿提高編碼器分辨率——最大可提高4倍。
圖1：正交編碼器產(chǎn)生兩個相位差為90°的脈沖流，由此系統(tǒng)可以通過監(jiān)控哪一個通道的相位超前來確定運動方向。觸發(fā)脈沖前沿和后沿可提高編碼器分辨率——最大可提高4倍。
正交編碼器為具有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜應(yīng)用提供了牢固耐用的解決方案。在高度振動的應(yīng)用中，單通道編碼器可能將一個相對于設(shè)定點的軸抖動產(chǎn)生的脈沖流誤解為一個真實的位移，正交編碼器則能夠識別方向上的變化并忽略脈沖流或?qū)⑵湟暈樵肼暥^濾掉。
增量式編碼器還可以包含一個額外的通道，即索引通道(或稱Z通道)。該通道可使旋轉(zhuǎn)編碼器或處于特定位置的線性編碼器每圈產(chǎn)生一個脈沖(參見圖2)。Z通道可以在啟動時確定特定位置。在高速應(yīng)用中，使用Z通道可以方便地指示單獨的一圈，并由此計算轉(zhuǎn)速。
增量式編碼器一般只適用于簡單應(yīng)用，無論控制設(shè)備是計數(shù)器、PLC還是變頻器，直接連接編碼器和控制器即可。
絕對式編碼器
增量式編碼器的最大缺點是系統(tǒng)斷電時(例如臨時停電)它不會跟蹤任何由編碼器輸出的增量變化。因此，為了提供準確的位置數(shù)據(jù)，增量式編碼器在啟動時必須返回初始位置。對于輸送機這樣每晚都會停機，然后每天早上再重新啟動的應(yīng)用而言，增量編碼器返回初始位置不會對應(yīng)用造成影響。但是在汽車裝配機械手臂等應(yīng)用中，如果焊接座椅支架時斷電，增量編碼器返回初始位置會嚴重損壞產(chǎn)品和機械手臂。絕對式編碼器是實現(xiàn)高可靠性應(yīng)用的理想之選。
與增量式編碼器不同，絕對式編碼器不會輸出脈沖，而是輸出數(shù)字信號以指示編碼器位置，并將編碼器位置作為絕對坐標系中的靜態(tài)參照點。因此，絕對式編碼器在斷電時仍然能夠保存其絕對位置記錄。重新啟動后系統(tǒng)可立即恢復(fù)運動，無需返回初始位置。
絕對值型旋轉(zhuǎn)編碼器具有一個連接在軸上的碼盤和一個固定光柵，允許系統(tǒng)為每一個行程點都生成一個唯一的二進制標識符(線性傳感器工作原理與此類似，為簡單起見，本文將重點介紹旋轉(zhuǎn)編碼器)。隨著碼盤旋轉(zhuǎn)到固定光柵上，系統(tǒng)會定期讀取標識符，將其作為多位數(shù)字信號輸出。相關(guān)控制器或變頻器可輪詢編碼器以捕獲位置數(shù)據(jù)，并可直接利用這些數(shù)據(jù)或?qū)⑵涮幚頌樗俣刃畔ⅰ?
光學(xué)編碼器的固定光柵上具有交替的透明和不透明區(qū)，同樣，碼盤上也有透明和不透明區(qū)，這就形成了一組碼盤圈(碼道)，并在碼道上形成輻射區(qū)(參見圖3);每一個碼道都由一對不同的LED光源/光傳感器讀取。碼盤位于固定光柵頂部，通常位于包含檢測器矩陣和相關(guān)電子器件的傳感專用集成電路(ASIC)上部。隨著碼盤旋轉(zhuǎn)，碼盤的透明區(qū)定期與固定光柵上的透明區(qū)重合，使光信號得以到達檢測器并生成脈沖。碼盤上每一個碼道對應(yīng)輸出中的一個bit;碼道數(shù)量為n時可生成 2n個輻射位置。絕對式編碼器的現(xiàn)行標準分辨率是12bit，或每旋轉(zhuǎn)一圈生成 4096個位置。此外某些型號的產(chǎn)品還可提供 22bit(4.19 x 106個位置)或更高的分辨率。磁性編碼器工作原理與光學(xué)編碼器類似。
某些應(yīng)用涉及長距離運動，需使用多圈型碼盤，此時，第2個碼盤(或更多碼盤)與主碼盤嚙合，跟蹤主碼盤的旋轉(zhuǎn)數(shù)。每次主碼盤旋轉(zhuǎn)完畢后，第2個碼盤都會進行索引，這種設(shè)計為索引碼盤每圈中軸的位置都分配了一個唯一的坐標——最多 4096圈。
圖3：光學(xué)絕對式編碼器分辨率的每一個bit都對應(yīng)的碼盤中的一個碼道。位數(shù)n (2n)等于2n輻射位置。和B通道相對應(yīng);注意它們的相位差為90°。
采用絕對式編碼器的應(yīng)用通常都比較復(fù)雜，需要部署硬軟件，以便與系統(tǒng)中其他電子設(shè)備(PLC、變頻器等)交互。
增量式編碼器VS絕對式編碼器
沒有適用于一切應(yīng)用的編碼器，您需要根據(jù)您的應(yīng)用需求選擇合適的編碼器(參見下表)。增量式編碼器易于集成和維護。在不太復(fù)雜的應(yīng)用中成本是用戶關(guān)心的主要問題，這時增量式編碼器不失為最佳選擇，增量式編碼器常用于速度或速率監(jiān)控，例如調(diào)節(jié)倉庫或郵件分揀設(shè)施中輸送機的線速度。根據(jù)應(yīng)用是否需要控制運動方向，您可決定采用單通道增量式編碼器還是正交編碼器。
如上所述，絕對式編碼器適用于安全問題至關(guān)重要、不允許編碼器返回初始位置的應(yīng)用，如高性能的數(shù)控機床應(yīng)用。此外，該類型編碼器還是返回初始位置會大幅增加作業(yè)時間或應(yīng)用成本的應(yīng)用的理想選擇，例如在持續(xù)多天的分析中DNA測序儀供電中斷，則系統(tǒng)需要可靠重啟而不損壞精心培養(yǎng)的樣品或影響分析結(jié)果。絕對式編碼器支持在恢復(fù)供電時繼續(xù)工作。
由于絕對式編碼器輸出的是數(shù)字信號，因此能夠兼容多種通訊協(xié)議和總線，包括 BiSS、同步串行接口(SSI)、DeviceNet、Profibus、Modbus、CANopen以及其他基于以太網(wǎng)的眾多通訊協(xié)議。
如果沒有合適的反饋設(shè)備，即使采用世界上最好的定位部件也無濟于事。根據(jù)應(yīng)用特性，選擇合適的編碼器可實現(xiàn)理想的解決方案。原始設(shè)備制造商和機床制造商需要了解增量式編碼器和絕對式編碼器的各種特性，并將其與應(yīng)用需求進行比較，由此可以按計劃、按預(yù)算打造具有所需性能和使用壽命的產(chǎn)品或系統(tǒng)。
丹納赫工業(yè)技術(shù)集團旗下Hengstler和Dynapar品牌，擁有50多年的編碼器和電機反饋設(shè)計與制造經(jīng)驗，可提供全球最廣泛的運動反饋控制編碼器、旋轉(zhuǎn)
變壓器產(chǎn)品及附件，一直為幾乎所有重載、輕工業(yè)、伺服和工廠自動化應(yīng)用提供創(chuàng)新型定制解決方案。創(chuàng)新產(chǎn)品，想你所想，并在你需要時隨時交付，這就是 Hengstler和Dynapar的卓爾不群之處。
