光電旋轉(zhuǎn)編碼器在工業(yè)控制中的應(yīng)用

1、光電旋轉(zhuǎn)編碼器在工業(yè)控制中的應(yīng)用摘要：光電旋轉(zhuǎn)編碼器廣泛用于各種高精度速度、位移測量場合。本文從技術(shù)角度回顧光電旋轉(zhuǎn)編碼器的發(fā)展歷程，并介紹在工業(yè)控制中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光電旋轉(zhuǎn)編碼器 工業(yè)控制 應(yīng)用abstract: photoelectric revolving encoder are generally used in high precision measurement such as velocity and displacement. the development course of photoelectric revolving encoder is reviewed in th

2、is paper. its application in industrial control is also described. keyword: photoelectric revolving encoder industrial control application1概述在工業(yè)控制領(lǐng)域，編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被廣泛用于各種位移測量。目前，應(yīng)用最廣泛的是利用光電轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成的非接觸式光電編碼器。光電編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字檢測裝置。作為一次光電傳感檢測元件的光電編碼器，具有精度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠等顯著的優(yōu)點。按結(jié)構(gòu)形式可分為直線式編碼器和

3、旋轉(zhuǎn)式編碼器兩種類型。圖圖l所示為旋轉(zhuǎn)編碼器的基本原理：主軸與兩塊圓光柵盤相連，光射入并通過該光柵時，分別用兩個光柵面感光。由于兩個感光面具有90度的相位差。因此將該輸出輸入數(shù)字加減計算器，就能以分度值來表示角度。旋轉(zhuǎn)編碼器主要由光柵、光源、檢讀器、信號轉(zhuǎn)換電路、機(jī)械傳動等部分組成。從光電編碼器的輸出信號種類來劃分，可分為增量式和絕對值式兩大類，其中絕對值式又分為單圈和多圈兩種。2發(fā)展歷程21從接近開關(guān)與光電開關(guān)到旋轉(zhuǎn)編碼器工業(yè)控制中的定位，接近開關(guān)、光電開關(guān)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟了，而且很好用?？墒?，隨著工業(yè)控制的不斷發(fā)展，對精確定位的要求越來越高，選用旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用優(yōu)點就更加突出了。信息化：

4、除了定位，控制室還知道被控器件的具體位置。柔性化：定位可以在控制室柔性調(diào)整?，F(xiàn)場安裝的方便、安全和長壽：拳頭大小的一個旋轉(zhuǎn)編碼器，可以測量從幾個微米到幾百米的距離，n個工位。只要解決旋轉(zhuǎn)編碼器的安全安裝問題，就可以避免諸多接近開關(guān)、光電開關(guān)在現(xiàn)場機(jī)械安裝麻煩以及容易被撞壞和遭高溫、水氣困擾等問題。由于是光電碼盤，無機(jī)械損耗，只要安裝位置準(zhǔn)確，其使用壽命往往很長。多功能化：除了定位，還可以遠(yuǎn)傳當(dāng)前位置，換算運(yùn)動速度，對于變頻器、步進(jìn)電機(jī)等的應(yīng)用尤為重要。經(jīng)濟(jì)化：對于多個控制工位，只需一個旋轉(zhuǎn)編碼器的成本，安裝、維護(hù)、損耗成本降低，使用壽命增長，其經(jīng)濟(jì)化逐漸突顯出來。22從增量式編碼器到絕對式編碼

5、器旋轉(zhuǎn)增量式編碼器轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動；當(dāng)來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計數(shù)設(shè)備記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。解決的方法是增加參考點，編碼器每經(jīng)過參考點，將參考位置修正進(jìn)計數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工業(yè)控制中就有每次操作先找參考點，開機(jī)找零等方法。比如，打印機(jī)掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理，每次開機(jī)，都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點，然后才

6、工作。這樣的方法對有些工業(yè)控制項目比較麻煩，甚至不允許開機(jī)找零(開機(jī)后就要知道準(zhǔn)確位置)，于是就有了絕對編碼器的出現(xiàn)。絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線編排，這樣在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼(格雷碼)，這就稱為位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。絕對編碼器由機(jī)械位置決定的每個位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。由于絕對編碼器在定

7、位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工業(yè)控制定位中。23從單圈絕對式編碼器到多圈絕對式編碼器旋轉(zhuǎn)單圈絕對式編碼器，以轉(zhuǎn)動中測量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動超過360時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對式編碼器。如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360范圍，就要用到多圈絕對式編碼器。編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動另一組碼盤(或多組齒輪，多組碼盤)，在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器。它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每

8、個位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。另一個優(yōu)點是由于測量范圍大，實際使用往往富裕較多這樣在安裝時不需費勁找零點，將某一中間位置作為起始點就可以了，大大簡化了安裝調(diào)試難度。多圈式絕對編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工業(yè)控制定位中。l旋轉(zhuǎn)編碼器的基本原理3信號輸出編碼器信號輸出有并行輸出、串行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出等輸出形式。31并行輸出對于絕對編碼器，信號并行輸出是時間上數(shù)據(jù)同時發(fā)出：空間上，每個位數(shù)的數(shù)據(jù)各占用一根線纜。對于位數(shù)不高的絕對編碼器，一般就直接以此形式輸出數(shù)碼，可直接進(jìn)入plc或上位機(jī)的io接口。這種方式輸出即時，連接簡單。但是，對于位數(shù)較多的絕對編碼器

9、，有許多芯電纜，由此帶來工程難度和諸多不便、降低了可靠性。因此，在絕對編碼器多位數(shù)輸出一般不采用并行輸出型，而是選用串行輸出或總線型輸出。32串行輸出串行輸出是時間上數(shù)據(jù)按照約定，有先后輸出；空間上，所有位數(shù)的數(shù)據(jù)都在一組電纜上(先后)發(fā)出。這種約定稱為“通訊協(xié)議”，其連接的物理形式有rs232、rs422(ttl)、rs485等。串行輸出連接線少，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性就大大提高了，但傳輸速度比并行輸出慢。33現(xiàn)場總線型輸出現(xiàn)場總線型編碼器是多個編碼器各以一對信號線連接在一起，通過設(shè)定地址，用通訊方式傳輸信號。信號的接收設(shè)備只需一個接口，就可以讀多個編碼器信號。常用總線型編碼器有profibus

10、-dp、can、devicenet、interbus等?？偩€型編碼器可以節(jié)省連接線纜、接收設(shè)備接口，傳輸距離遠(yuǎn)，在多個編碼器集中控制的情況下還可以大大節(jié)省成本。34變送一體型輸出信號已經(jīng)在編碼器內(nèi)換算后直接變送輸出，其有模擬量4-20ma輸出、rs485數(shù)字輸出、usb輸出、14位并行輸出。4工業(yè)控制中的應(yīng)用光電旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)簡單，廣泛應(yīng)用于高精度角度、位移檢測系統(tǒng)中，例如數(shù)控機(jī)床等。41脈沖盤式角度數(shù)字編碼器在一個圓盤的邊緣上開有相等角距的縫隙(分成透明和不透明的部分)，在開縫圓盤兩邊分別安裝光源及光敏元件，當(dāng)圓盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個續(xù)隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，經(jīng)過光敏元件就產(chǎn)生

11、一次電信號的變化，經(jīng)整形、放大，就可以得到一定幅值和功率的電脈沖信號，脈沖數(shù)等于轉(zhuǎn)過的縫隙數(shù)，將上述信號送到計數(shù)器，則計數(shù)碼就反映了圓盤的轉(zhuǎn)角。為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，可以采用兩套光電裝置，它們在空間的相對位置有一定的關(guān)系，保證它們產(chǎn)生的信號在相位上相差14周期。正轉(zhuǎn)時光敏元件2比光敏元件1先感光，此時與門dal有輸出，將加減控制觸發(fā)器置“1”，使可逆計數(shù)器的加法母線為高電位同時dal的輸出脈沖又經(jīng)或門達(dá)到可逆計數(shù)器的計數(shù)輸入端，計數(shù)器進(jìn)行加法計數(shù)。反轉(zhuǎn)時則光敏元件1比元件2先感光，計數(shù)器進(jìn)行減法計數(shù)，這樣就可以識別旋轉(zhuǎn)方向，自動進(jìn)行加減法計數(shù)計數(shù)。由于它每次反映的都是相對于上次角度的增量，所以這種

12、測量屬于增量法。圖2辨向環(huán)節(jié)邏輯電路框圖圖3辨向環(huán)節(jié)邏輯電路波形圖42光電式角度數(shù)字編碼器碼盤式角度-數(shù)字編碼器是按角度直接進(jìn)行編碼的傳感器。按碼盤結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電式和電磁式。無論哪種型式碼盤的結(jié)構(gòu)原理是相同的。4.2.1、碼盤的結(jié)構(gòu)和工作原理圖4是一個接觸式四位二進(jìn)制碼盤。涂黑部分是導(dǎo)電區(qū)。所有導(dǎo)電部分連在一起接高電位?？瞻撞糠譃榻^緣區(qū)。在每圈碼道上都有一個電刷，電刷經(jīng)電阻接地。當(dāng)碼盤與軸一起旋轉(zhuǎn)時。申刷上將出現(xiàn)相應(yīng)的電位，對應(yīng)定的數(shù)碼。若采用n位碼盤，則能分辨的角度為360/2n。位數(shù)n越大，能分辨的角度越小，測量也越精確。二進(jìn)制碼盤很簡單，但在實際應(yīng)用時對碼盤的制作和安裝要求十分嚴(yán)

13、格，否則極易出錯。采用工藝上或電路方法可消除誤差，但十分復(fù)雜，因此很少采用。應(yīng)用廣泛的是采用循環(huán)碼取代二進(jìn)制碼。循環(huán)碼的特點是相鄰兩個數(shù)碼間只有一位是變化的，因此即使制作和安裝不到位，產(chǎn)生的誤差最多也只是一位。圖5是一個四位循環(huán)碼盤。圖4二進(jìn)制碼盤示意圖 圖5四位循環(huán)碼盤4.2.2、光電式角度數(shù)字編碼器光電式角度數(shù)字編碼器包括光源、光學(xué)系統(tǒng)、碼盤、讀出系統(tǒng)和電路系統(tǒng)。編碼器的精度主要由碼盤的精度所決定，目前的分辨牢可以達(dá)到0.15”，徑向線寬度為0.067rads。通常碼盤是用玻璃制成的，碼盤上有代表數(shù)碼的透明和不透明的圖形，這些圖形是采用照相制版及真空鍍膜工藝制成的。碼盤的透明和不透明圖形必

14、須清晰，邊緣必須光滑，以減少光電元件在電乎轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的過渡噪聲。為了提高編碼器的分辨李，在光電式角度數(shù)字編碼器中采用了二進(jìn)制碼盤、脈沖增量式碼盤再加細(xì)分電路構(gòu)成的高位數(shù)絕對式角度數(shù)字編碼器。例如，有219分之一分辨率的編碼器，它的碼盤內(nèi)層有14條碼道，通過光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生14位二進(jìn)制數(shù)字輸出碼，外層碼道有兩路增量脈沖光學(xué)系統(tǒng)，產(chǎn)生一個正弦楊出和余弦輸出，使編碼器的分辨率從214分之一提高到219分之一，相當(dāng)于0.2rads。5結(jié)束語光電旋轉(zhuǎn)編碼器以其高精度、高分辨力、高頻響以及體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、可實現(xiàn)數(shù)字量輸出等綜合技術(shù)優(yōu)勢在現(xiàn)代精密測量與控制設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，是工業(yè)控制中比較理想的位移、角度傳感器。隨著光電科學(xué)的發(fā)展，采用新原理、應(yīng)用新技術(shù)的各類新型光電軸角編碼器將會不斷出現(xiàn)，并向著小型化、智能化和集成化的方向發(fā)展，以滿足各個領(lǐng)域多種應(yīng)用場合的需要。參考文獻(xiàn)：1、葛偉亮編著自動控制元件北京理工大學(xué)出版社2004年5月2、王振中光電旋轉(zhuǎn)編碼器在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用揚(yáng)子石油化工20