在舞臺機械應(yīng)用中怎么選擇編碼器？使用編碼器的安裝方法！
在舞臺機械應(yīng)用中，編碼器作為一個重要的傳感器，日益占據(jù)著核心地位。舞臺機械的正確運動在很大程度上依賴于編碼器的可靠性安裝、電信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及計數(shù)單元的精度。編碼器有多種類型，最常見的是增量編碼器和絕對值編碼器，后者又分為單圈絕對值編碼器和多圈絕對值編碼器。根據(jù)編碼器的內(nèi)部工作原理，它們可以分為磁性編碼器和光電編碼器。
在舞臺機械應(yīng)用中，經(jīng)常會面臨一些編碼器使用問題，例如多軸驅(qū)動的升降舞臺。在選擇編碼器類型時，需要考慮增量編碼器和絕對編碼器的優(yōu)劣，并且還要在成本方面進行權(quán)衡。在面對這些實際問題時，本文將根據(jù)編碼器的技術(shù)特性，分析在舞臺機械應(yīng)用中選擇、安裝和使用編碼器的方法。
一、編碼器的技術(shù)特點
編碼器的工作原理
編碼器主要根據(jù)其內(nèi)部工作原理分為光電編碼器和磁性編碼器兩種類型。
光電編碼器的工作原理是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機械幾何位移轉(zhuǎn)換為脈沖或數(shù)字信號。光電編碼器由光柵盤和光電傳感器組成。在伺服系統(tǒng)中，光柵盤與電機同軸，電機的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動光柵盤的旋轉(zhuǎn)，通過光電傳感器輸出若干脈沖信號，可以計算當(dāng)前電機的速度。光電編碼器通常輸出A相、B相、Z相信號，其中A相和B相是相位差90°的兩個脈沖信號。通過分析這兩個信號的狀態(tài)變化，可以判斷電動機的旋轉(zhuǎn)方向。
磁性編碼器的結(jié)構(gòu)主要在編碼器的旋轉(zhuǎn)軸的一端設(shè)置產(chǎn)生磁場的永久磁鐵，將霍爾傳感器芯片放置在電路板上，根據(jù)特定條件接近編碼器軸的一端。通過分析通過電路板輸出的霍爾傳感器的電壓信號，可以識別編碼器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置。
編碼器的信號輸出方式
根據(jù)編碼器信號的輸出類型，編碼器一般分為增量編碼器和絕對值編碼器。
增量編碼器廣泛應(yīng)用，主要是脈沖輸出類型。它將位移轉(zhuǎn)換為周期性電信號，再轉(zhuǎn)換為計數(shù)脈沖，脈沖的數(shù)量表示位移的大小。通常有A相、B相、Z相的輸出，其中A相和B相是延遲其他1/4周期的脈沖輸出，可以通過這兩個相位的變化來區(qū)分正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電機的速度控制。Z相輸出一個單脈沖，用于標記電機的圈數(shù)。簡言之，每轉(zhuǎn)一圈就發(fā)送一個脈沖。
絕對值編碼器分為單圈絕對值編碼器和多圈絕對值編碼器。它們通常采用通信方式與驅(qū)動器單元（如PLC、SSI、PROFINET或CANOPEN）交換數(shù)據(jù)。單圈絕對值編碼器通常只能記錄編碼器單圈的絕對位置，適用于執(zhí)行單圈旋轉(zhuǎn)運動的場景。多圈編碼器有廣泛的用途，可以記錄編碼器實際旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。
實現(xiàn)多圈數(shù)檢測的多圈絕對值編碼器方式主要有電池計數(shù)寄存器和機械齒輪旋轉(zhuǎn)編碼等。
電池計數(shù)寄存器的原理很簡單，即使用安裝在編碼器中的微處理器記錄、計算和保存編碼器的圈數(shù)。電池的作用是讓編碼器能夠繼續(xù)儲存和記錄圈數(shù)。
機械齒輪多渦輪編碼器的結(jié)構(gòu)類似于時鐘齒輪，即一系列減速齒輪組與主機械軸分階段嚙合，每個級齒輪包括前齒輪和主機械軸，它們之間有整數(shù)倍的減速比關(guān)系。通過確定各齒輪的旋轉(zhuǎn)角位置，可以檢測編碼器主機械軸的圈數(shù)。機械齒輪多渦輪編碼器的絕對位置反饋輸出不是根據(jù)過去的記錄計算的，而是根據(jù)當(dāng)前的機械物理傳遞機制直接測量的。它不需要電池，不受線路干擾等外部環(huán)境的影響，也能從位置檢測源獲取程序錯誤信號的安全位置反饋。
二、編碼器的安裝和使用
編碼器的選型
與傳統(tǒng)的光學(xué)編碼器相比，磁性編碼器不需要復(fù)雜的碼盤或光源，結(jié)構(gòu)簡單、部件少，傳感器的穩(wěn)定性更高。同時，磁性編碼器具有堅固的結(jié)構(gòu)、小巧輕便、長壽命、抗振動性好以及不受灰塵、油、水蒸氣和鹽水噴霧等污染和腐蝕的影響。
然而，磁性編碼器也存在一些缺點，例如容易受到電磁干擾的影響。為了避免溫度漂移，還需要采取補償和保護措施。另一個難以解決的問題是位置反饋。為了實現(xiàn)絕對位置反饋，磁性編碼器需要在內(nèi)部添加信息處理單元和位置存儲器單元。尤其是對于多圈絕對值編碼器，通常需要添加電池來持續(xù)儲存和記錄圈數(shù)。然而，這種方式也存在一些缺點，比如如果電池放電，位置信息將會丟失。
在舞臺機械領(lǐng)域，穩(wěn)定性往往是最主要的要求，因此一般選擇光電編碼器作為傳感器。
編碼器的安裝位置
編碼器的安裝方式有幾種，包括安裝在電機軸上、安裝在齒輪箱軸上、以及拉索等安裝方法。
通常，編碼器主要安裝在電機尾軸上，以實現(xiàn)閉環(huán)速度控制。通過編碼器，逆變器可以實時計算并獲取電機的當(dāng)前運動狀態(tài)，并相應(yīng)調(diào)整速度。例如，當(dāng)驅(qū)動器希望電機輸出穩(wěn)定在1200rpm的速度，但當(dāng)前實際電機速度為1150rpm時，驅(qū)動器可以通過獲取電機輸出軸編碼器值來了解實際速度偏差，并調(diào)整控制策略使速度達到1200rpm。在這個過程中，如果由于其他原因無法提高速度，逆變器將發(fā)出相應(yīng)的警報。使用速度閉環(huán)控制有許多優(yōu)點，例如可以在不同負載條件下以相同的特性運行電機，有利于調(diào)整位置環(huán)。
在舞臺機械應(yīng)用中，通常需要在電機尾軸上單獨安裝增量編碼器進行速度調(diào)整，該編碼器通常用于位置調(diào)整。對于僅安裝一個編碼器的低速驅(qū)動軸（例如減速器輸出軸的位置），通常無法實現(xiàn)速度閉環(huán)，只能進行大致位置的閉環(huán)控制。此時精度和響應(yīng)速度都不如閉環(huán)控制好。因此，選擇編碼器的方式應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用場景而定。在飛輪安裝到電機尾軸的應(yīng)用中，只能選擇通孔式編碼器。
雙編碼器的安裝方法
在一些特殊應(yīng)用中，采用雙編碼器的方式，通常是將增量編碼器與絕對值編碼器組合使用。另外，也有兩種增量編碼器的配置方式。通常情況下，設(shè)備的兩個編碼器具有不同的功能。其中，增量編碼器主要用于速度閉環(huán)控制，多數(shù)逆變器只支持使用增量編碼器進行速度閉環(huán)控制，而有些逆變器也支持使用編碼器多圈絕對值進行速度閉環(huán)控制；第二個編碼器用于定位。
為了達到SIL3（Safety Integrity Level 3）的安全水平，有些系統(tǒng)中配置了兩個編碼器來比較編碼器輸出。當(dāng)一個編碼器發(fā)生故障時，可以快速檢測到異常情況，防止特定編碼器故障引發(fā)危險事件的發(fā)生。
對于某些應(yīng)用場景，比如多個電機驅(qū)動同一個剛性設(shè)備時，可以采用增量絕對值多圈式編碼器的配置方式，多圈絕對值編碼器通常安裝在運動端，使用電纜傳感器等測量最終位置，實現(xiàn)多設(shè)備之間的位置精確對比。在這種情況下，如果沒有安裝多圈絕對值編碼器，增量編碼器將持續(xù)累積誤差，導(dǎo)致多個驅(qū)動器之間的最終位置偏移，從而引發(fā)設(shè)備傾斜或力分布不均等危險情況。
目前已經(jīng)有一些雙輸出編碼器的解決方案，即一個編碼器可以輸出增量信號和多圈絕對值信號。這樣可以將兩個編碼器安裝在同一位置上，安裝過程簡單方便。但這種方式可能存在增量輸出信號和多圈絕對值輸出信號同時出現(xiàn)異常的問題。例如，由于軸松動，兩個編碼器信號同時產(chǎn)生異常，造成異常結(jié)束時間。為了避免這些問題，可以使用單獨的編碼器將兩個編碼器安裝在不同的位置上，特別是在電機尾軸和減速器軸等安裝多圈絕對值編碼器。
三、結(jié)論
在舞臺機械應(yīng)用中，對于編碼器的選擇并沒有一種通用的解決方案，而是根據(jù)具體應(yīng)用情況來決定。在選擇編碼器時，不僅要考慮其性能指標，還要考慮價格和使用環(huán)境等因素。由于安全要求的不斷提高，雙編碼器的使用
