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磁编码器选型与分辨率

作为反馈用的检测传感器必须能够检测准确的控制变量,如速度,方向,位置,并且分辨率好。一般来说,指导说明建议采用分辨率比检测变数规定准确性高10倍。作为反馈用的检测传感器通常安装在电机上,但是实际上有些直接安装在负载上。

 

速度反馈

速度控制的应用,最便宜的的反馈设置是转速计。最常用的,普遍接受的是,转速计是永磁设计,输出电压与速度成正比,极性指示旋转方向。DC转速计的输出电压计算依据为:

V=S x Ke

V = 产生的输出电压 (伏特 )

S = 转速计旋转的速度 (Krpm)

Ke = 转速计电压常数 (volts/Krpm)

DC转速计性能广泛,在额定速度范围内,显示出线性特征。高于额定速度时(通常在6000 rpm),启动升力,刷反弹或者整流器弹跳将会引起线性特征的下降。但是,对于大多数速度控制应用来说,该速度范围是可接受的。

转速计的电压常数的选择取决于运行速度,速度越低,电压常数越高越好,因为这会更容易调节,更准确地控制速度。对于速度较高地应用,低转速计电压常数会更合适,不会造成线路饱和。

DC 转速计大多数提供模拟信号,以模拟控制的方式应用,而现代控制大多数是数字化的,DC转速计用于速度反馈控制也越来越少。

对于严格的速度控制,特别是低速时,可以使用带数字控制的高脉冲计数编码器。检测每毫秒的速度,精确到“rpm”,编码器的分辨率取决于:

R = (1/rpm) x (60,000/4)

R = 分辨率, 分辨率以每转计数 (cpr)

rpm = 每分钟转动次数准确度

60,000 = 毫秒每分

4 =每矩形脉冲4倍细分

例如, 如果要求准确度 5 rpm,那么:

R = (1/5) x (60,000/4) = 3000

需要一个每转计数3000分辨率的编码器

 

位置反馈

在定位应用中选择合适的反馈时,需要考虑的是:归零策略和精确度要求

 

归零策略

.步是确定实际应用/机器能将电机/负载移动到开关来确定参考或者开启或者原本位置。如果不是这样,那么需要.反馈装置。根据实际应用的定位器和它的性能来决定是实用平行.反馈或者SSI。

对于能够移动到参考点来确定开启位置的应用,可以使用增量反馈装置,如

分解器

编码器

 

精确度要求

下一步需要确定的负载时需要的精确度,以及其与反馈装置提供的分辨率和精确度的比较。

该情况下使用的反馈装置的类型以及分辨率如下图1。例如,脉冲1000和2500每转(ppr)的编码器,A和B两通道,因为控制显示为正跳变和负跳变,那么分辨率或者每转的计数(cpr)是脉冲数的4倍。

blob.png

图1:不同反馈装置每转的脉冲和计数 

例如,如果实际应用要求时+/-0.0008”,精确度使用球头螺钉(螺距=5rev/in),分辨率则是:

¢M=2 ϖπ PX

¢M= 电机轴位移(弧度)

P=球头螺钉螺距(rev/in)

X=线性位移精确度(英寸)

 

那么旋转的精确度为:

¢M=2 ϖ(+/-0.0008)]

   =+/-0.02512弧度

 

将弧度转化成度:

X=0.02512×360度/2 ϖ

=+/-1.4度

反馈装置必须能够提供的最小计数/转(cpr)为:Cpr=360/1.4=250计数/转(cpr)

根据经验法则,分辨率是此数据的10倍,那么目的是2500 cpr或者更高的计数。

根据以上图1中的反馈装置数据,得出结论如下:1)500 ppr编码器提供2000 cpr分辨率,不符合要求;2)1000 ppr编码器提供4000 cpr分辨率,满足规定的精确度;3)分解器和SSI,提供16,384 cpr 分辨率,两者都符合规定。

 

其它考量

有一个参数需要考虑,特别是遇到高速时,或者相当高的计数时。带宽位于最大比率时,系统改变状态--对脉冲做出反应需要一定的时间来完成线路开关从“高”切换到“低”。换句话说,高输入率或高频时,编码器在两个状态间无法正常开关。每个编码器都有最大频率,在最大频率时输出信号,该界限被称为编码器的“最大运行频率”。如果一个2000 ppr的编码器,最大带宽100,000 Hz。将带宽用ppr分隔,结果便是编码器电运行的最大速度。那么这个例子的答案是是20转/秒或者3000 rpm。

其它需要考虑的是接受编码器信号。因为编码器的界限,控制系统(计数器,电机控制,PLC)也一样。然而,很多现代的控制系统,编码器都有高带宽的专用电路。 

 

图2 对不同反馈装置的输出,脉冲/转和精确性进行了总结和比较。注意因为精确度是+/-计数,ppr越高,精确度也越高。

blob.png

图2 反馈装置性能和精确度概括

 

总的来说,在选择反馈装置时,另外一个需要考虑的因素就是环境条件。确保反馈装置可以处理实际应用中遇到的所有冲击,振动和温度。例如在自动化,空间,冷冻,航空和其它一些应用领域出现的高温或者低温等极端环境。


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