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光电编码器原理与应用

更新时间:2015-12-25 14:19:27点击次数:701次

一、光电编码器的工作原理

光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。根据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

(一)增量式编码器

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相;A、B两组脉冲相位差90?,从而可方便地判断出旋转方向,而Z相为每转一个脉冲,用于基准点定位。它的优点是原理构造简单,机械平均寿命可在几万小时以上,抗干扰能力强,可靠性高,适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

(二)绝对式编码器

绝对编码器是直接输出数字量的传感器,在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道,每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成,相邻码道的扇区数目是双倍关系,码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数,在码盘的一侧是光源,另一侧对应每一码道有一光敏元件;当码盘处于不同位置时,各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号,形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器,在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然,码道越多,分辨率就越高,对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器,其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。

绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制(葛莱码)方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形,绝对编码器可有若干编码,根据读出码盘上的编码,检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是:

1.可以直接读出角度坐标的绝对值;

2.没有累积误差;

3.电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的,也就是说精度取决于位数,目前有10位、14位等多种。

(三)混合式绝对值编码器

混合式绝对值编码器,它输出两组信息:一组信息用于检测磁极位置,带有绝对信息功能;另一组则完全同增量式编码器的输出信息。

光电编码器是一种角度(角速度)检测装置,它将输入给轴的角度量,利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量,具有体积小,精度高,工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。

二、应用问题与改进措施

(一)应用中问题分析

光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场,在使用中暴露出许多缺陷,其有内在因素也有外在因素,主要表现在以下几个方面:

1.发射装置或接受装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移,导致接收装置不能可靠的接收到光信号,而不能产生电信号。例如;光电编码器应用在轧钢调速系统中,因光电编码器是直接用螺栓固定在电动机的外壳上,光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动机转轴相连接,因电动机所带负载是冲击性负载,当轧机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动。经测定;过钢时光电编码器振动速度为2.6mm/s,这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能。造成误发脉冲,从而导致控制系统不稳定或误动作,导致事故发生。

2.因光电检测装置安装在生产现场,受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠的工作。如安装部位温度高、湿度大,导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。例如在连铸机送引锭跟踪系统,由于光电检测装置安装的位置靠近铸坯,环境温度高而导致光电检测装置误发出信号或损坏,而引发生产或人身事故。

3.生产现场的各种电磁干扰源,对光电检测装置产生的干扰,导致光电检测装置输出波形发生畸变失真,使系统误动或引发生产事故。例如;光电检测装置安装在生产设备本体,其信号经电缆传输至控制系统的距离一般在20m~100m,传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电缆,但由于电缆的导线电阻及线间电容的影响再加上和其他电缆同在一起敷设,极易受到各种电磁干扰的影响,因此引起波形失真,从而使反馈到调速系统的信号与实际值的偏差,而导致系统精度下降。

(二)改进措施

1.改变光电编码器的安装方式。光电编码器不在安装在电动机外壳上,而是在电动机的基础上制作一固定支架来独立安装光电编码器,光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度,两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接,以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲击。采用此方式后经测振仪检测,其振动速度降至1.2mm/s。

2.合理选择光电检测装置输出信号传输介质,采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性,一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力,因为空间电磁场在线上产生的干扰电流可以互相抵消。双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小,两线对干扰线路的距离基本相等,两线对屏蔽网的分布电容也基本相同,这对抑制共模干扰效果更加明显。

3.利用PLC软件监控或干涉。在连铸生产的送引锭过程要求光电检测装置产生有时序性的电信号,同时,该信号与整个过程不同阶段相对应。

(1)送引锭过程启动前,光电信号1为“1”。

(2)送引锭过程启动后,在A阶段,辊道启动,引锭杆上送。当引锭杆挡住光电装置发射出的红外光时,光电信号为“0”;当红外光透过引锭杆中部2个小圆孔时,光电装置发出信号2和3,均为“1”。

(3)送引锭过程在B阶段,光电信号为“0”,辊道停下,引锭杆暂停上送,扇形10段压下,启动拉矫机和“同步1”,引锭杆继续上送。

(4)送引锭过程在C阶段,引锭杆上送,并不再挡住红外光,光电信号4为“1”,启动“同步2”,停下“同步1”,引锭杆继续上送。至此光电装置工作过程结束。

根据光检测电装置的工作过程,只要现场测定送引锭过程中各个光电信号发生的时间,结合送引锭过程与光电信号的关系,利用PLC应用程序中的相关数据,编制符合要求的PLC程序,将PLC程序输出信号输入至PLC的输入模块,替代原光电信号的输入信号。

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