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光電編碼器原理與應用

更新時間:2015-12-25 14:19:27點擊次數:1505次

一、光電編碼器的工作原理

光電編碼器,是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。根據檢測原理,編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及信號輸出形式,可分為增量式、絕對式以及混合式三種。

(一)增量式編碼器

增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相;A、B兩組脈沖相位差90?,從而可方便地判斷出旋轉方向,而Z相為每轉一個脈沖,用于基準點定位。它的優點是原理構造簡單,機械平均壽命可在幾萬小時以上,抗干擾能力強,可靠性高,適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。

(二)絕對式編碼器

絕對編碼器是直接輸出數字量的傳感器,在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道,每條道上由透光和不透光的扇形區相間組成,相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系,碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數,在碼盤的一側是光源,另一側對應每一碼道有一光敏元件;當碼盤處于不同位置時,各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號,形成二進制數。這種編碼器的特點是不要計數器,在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。顯然,碼道越多,分辨率就越高,對于一個具有 N位二進制分辨率的編碼器,其碼盤必須有N條碼道。目前國內已有16位的絕對編碼器產品。

絕對式編碼器是利用自然二進制或循環二進制(葛萊碼)方式進行光電轉換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形,絕對編碼器可有若干編碼,根據讀出碼盤上的編碼,檢測絕對位置。編碼的設計可采用二進制碼、循環碼、二進制補碼等。它的特點是:

1.可以直接讀出角度坐標的絕對值;

2.沒有累積誤差;

3.電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數來決定的,也就是說精度取決于位數,目前有10位、14位等多種。

(三)混合式絕對值編碼器

混合式絕對值編碼器,它輸出兩組信息:一組信息用于檢測磁極位置,帶有絕對信息功能;另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。

光電編碼器是一種角度(角速度)檢測裝置,它將輸入給軸的角度量,利用光電轉換原理轉換成相應的電脈沖或數字量,具有體積小,精度高,工作可靠,接口數字化等優點。它廣泛應用于數控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。

二、應用問題與改進措施

(一)應用中問題分析

光電檢測裝置的發射和接收裝置都安裝在生產現場,在使用中暴露出許多缺陷,其有內在因素也有外在因素,主要表現在以下幾個方面:

1.發射裝置或接受裝置因機械震動等原因而引起的移位或偏移,導致接收裝置不能可靠的接收到光信號,而不能產生電信號。例如;光電編碼器應用在軋鋼調速系統中,因光電編碼器是直接用螺栓固定在電動機的外殼上,光電編碼器的軸通過較硬的彈簧片和電動機轉軸相連接,因電動機所帶負載是沖擊性負載,當軋機過鋼時會引起電動機轉軸和外殼的振動。經測定;過鋼時光電編碼器振動速度為2.6mm/s,這樣的振動速度會損壞光電編碼器的內部功能。造成誤發脈沖,從而導致控制系統不穩定或誤動作,導致事故發生。

2.因光電檢測裝置安裝在生產現場,受生產現場環境因素影響導致光電檢測裝置不能可靠的工作。如安裝部位溫度高、濕度大,導致光電檢測裝置內部的電子元件特性改變或損壞。例如在連鑄機送引錠跟蹤系統,由于光電檢測裝置安裝的位置靠近鑄坯,環境溫度高而導致光電檢測裝置誤發出信號或損壞,而引發生產或人身事故。

3.生產現場的各種電磁干擾源,對光電檢測裝置產生的干擾,導致光電檢測裝置輸出波形發生畸變失真,使系統誤動或引發生產事故。例如;光電檢測裝置安裝在生產設備本體,其信號經電纜傳輸至控制系統的距離一般在20m~100m,傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜,但由于電纜的導線電阻及線間電容的影響再加上和其他電纜同在一起敷設,極易受到各種電磁干擾的影響,因此引起波形失真,從而使反饋到調速系統的信號與實際值的偏差,而導致系統精度下降。

(二)改進措施

1.改變光電編碼器的安裝方式。光電編碼器不在安裝在電動機外殼上,而是在電動機的基礎上制作一固定支架來獨立安裝光電編碼器,光電編碼器軸與電動機軸中心必須處于同一水平高度,兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接,以減輕電動機沖擊負載對光電編碼器的機械沖擊。采用此方式后經測振儀檢測,其振動速度降至1.2mm/s。

2.合理選擇光電檢測裝置輸出信號傳輸介質,采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個重要的技術特性,一是對電纜受到的電磁干擾具有較強的防護能力,因為空間電磁場在線上產生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個技術特點是互絞后兩線間距很小,兩線對干擾線路的距離基本相等,兩線對屏蔽網的分布電容也基本相同,這對抑制共模干擾效果更加明顯。

3.利用PLC軟件監控或干涉。在連鑄生產的送引錠過程要求光電檢測裝置產生有時序性的電信號,同時,該信號與整個過程不同階段相對應。

(1)送引錠過程啟動前,光電信號1為“1”。

(2)送引錠過程啟動后,在A階段,輥道啟動,引錠桿上送。當引錠桿擋住光電裝置發射出的紅外光時,光電信號為“0”;當紅外光透過引錠桿中部2個小圓孔時,光電裝置發出信號2和3,均為“1”。

(3)送引錠過程在B階段,光電信號為“0”,輥道停下,引錠桿暫停上送,扇形10段壓下,啟動拉矯機和“同步1”,引錠桿繼續上送。

(4)送引錠過程在C階段,引錠桿上送,并不再擋住紅外光,光電信號4為“1”,啟動“同步2”,停下“同步1”,引錠桿繼續上送。至此光電裝置工作過程結束。

根據光檢測電裝置的工作過程,只要現場測定送引錠過程中各個光電信號發生的時間,結合送引錠過程與光電信號的關系,利用PLC應用程序中的相關數據,編制符合要求的PLC程序,將PLC程序輸出信號輸入至PLC的輸入模塊,替代原光電信號的輸入信號。

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