光電編碼器原理與維修.doc

高精度的光電編碼器的結(jié)構(gòu)及原理2009年06月12日 星期五 8:48本文主要介紹高精度的光電編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理與位置檢測(cè)的方法。一、光電編碼器的介紹：光電編碼器是通過(guò)讀取光電編碼盤(pán)上的圖案或編碼信息來(lái)表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。（一）、絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式光電編碼器如圖所示，他是通過(guò)讀取編碼盤(pán)上的二進(jìn)制的編碼信息來(lái)表示絕對(duì)位置信息的。編碼盤(pán)是按照一定的編碼形式制成的圓盤(pán)。圖1是二進(jìn)制的編碼盤(pán)，圖中空白部分是透光的，用“0”來(lái)表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”來(lái)表示。通常將組成編碼的圈稱(chēng)為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。如果編碼盤(pán)有4個(gè)碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的23、22、21和20，4位二進(jìn)制可形成16個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此就將圓盤(pán)劃分16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，如0000、0001、1111。 圖1按照碼盤(pán)上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤(pán)、光敏二極管和驅(qū)動(dòng)電子線路。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中透光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。（二）、增量式光電編碼器 Increamental Optical-electrical Encoder增量式光電編碼器是碼盤(pán)隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號(hào)，然后根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，以此達(dá)到位置檢測(cè)的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤(pán)、鑒向盤(pán)、光敏元件和電子線路組成。增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤(pán)的上面有與其平行的鑒向盤(pán)，在鑒向盤(pán)上有兩條彼此錯(cuò)開(kāi)90o相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤(pán)透過(guò)來(lái)的信號(hào)。工作時(shí)，鑒向盤(pán)不動(dòng)，主光柵碼盤(pán)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤(pán)，通過(guò)主光柵碼盤(pán)和鑒向盤(pán)后由光敏二極管接收相位差90o的近似正弦信號(hào)，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。為了獲得絕對(duì)位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測(cè)電機(jī)的位置和速度。二、光電編碼器的測(cè)量方法：光電編碼器在電機(jī)控制中可以用來(lái)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)和機(jī)械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹。（一）、使用光電編碼器來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體的測(cè)速方法有M法、T法和M/T法3種。M法又稱(chēng)之為測(cè)頻法，其測(cè)速原理是在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間Tc內(nèi)，對(duì)光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的測(cè)速方法，如圖2所示，例如光電編碼器是N線的，則每旋轉(zhuǎn)一周可以有4N個(gè)脈沖，因?yàn)閮陕访}沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號(hào)4倍頻。現(xiàn)在假設(shè)檢測(cè)時(shí)間是Tc，計(jì)數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是M1，則電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為在實(shí)際的測(cè)量中，時(shí)間Tc內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個(gè)脈沖的誤差。如果要求測(cè)量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說(shuō)是小于百分之一，那么M1就應(yīng)該大于50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測(cè)脈沖數(shù)M1以減小誤差，可以增大檢測(cè)時(shí)間Tc單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測(cè)量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在0.01秒以下。由此可見(jiàn)，減小測(cè)量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。M法測(cè)速適用于測(cè)量高轉(zhuǎn)速，因?yàn)閷?duì)于給定的光電編碼器線數(shù)N機(jī)測(cè)量時(shí)間Tc條件下，轉(zhuǎn)速越高，計(jì)數(shù)脈沖M1越大，誤差也就越小。T法也稱(chēng)之為測(cè)周法，該測(cè)速方法是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，如圖3所示。例如時(shí)鐘頻率為fclk,計(jì)數(shù)器記錄的脈沖數(shù)為M2，光電編碼器是N線的，每線輸出4N個(gè)脈沖，那么電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此T法測(cè)速適用于低速運(yùn)行的場(chǎng)合。但轉(zhuǎn)速太低，一個(gè)編碼器輸出脈沖的時(shí)間太長(zhǎng)，時(shí)鐘脈沖數(shù)會(huì)超過(guò)計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值而產(chǎn)生溢出;另外，時(shí)間太長(zhǎng)也會(huì)影響控制的快速性。與M法測(cè)速一樣，選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的快速性與精度。M/T法測(cè)速是將M法和T法兩種方法結(jié)合在一起使用，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1和M2進(jìn)行計(jì)數(shù)，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為 實(shí)際工作時(shí)，在固定的Tc時(shí)間內(nèi)對(duì)光電編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，在第一個(gè)光電編碼器上升沿定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)，同時(shí)開(kāi)始記錄光電編碼器和時(shí)鐘脈沖數(shù)，定時(shí)器定時(shí)Tc時(shí)間到，對(duì)光電編碼器的脈沖停止計(jì)數(shù)，而在下一個(gè)光電編碼器的上升沿到來(lái)時(shí)刻，時(shí)鐘脈沖才停止記錄。采用M/T法既具有M法測(cè)速的高速優(yōu)點(diǎn)，又具有T法測(cè)速的低速的優(yōu)點(diǎn)，能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍，測(cè)量的精度也較高，在電機(jī)的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。（二）使用增量式光電編碼器來(lái)判別電機(jī)轉(zhuǎn)速方向的原理增量式光電編碼器輸出兩路相位相差90o的脈沖信號(hào)A和B，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號(hào)A的相位超前脈沖信號(hào)B的相位90o，此時(shí)邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號(hào)Dir。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號(hào)A的相位滯后脈沖信號(hào)B的相位90o，此時(shí)邏輯電路處理后的方向信號(hào)Dir為低電平。因此根據(jù)超前與滯后的關(guān)系可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。其轉(zhuǎn)速辯相的原理如圖4所示圖4轉(zhuǎn)向判別原理圖（三）、增量式光電編碼器的反饋脈沖的四倍頻原理在使用增量式編碼器時(shí)，通過(guò)計(jì)相位相差90o的兩路正交脈沖信號(hào)A和B的上升沿與下降沿已達(dá)到將增量式編碼器的反饋脈沖四倍頻的目的。這樣在不增加增量式光電編碼器的線數(shù)的情況下，就可以獲得更精度高的位置脈沖信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)位置的精確控制。其工作原理與脈沖的相位關(guān)系如圖5所示圖5 脈沖四倍頻相位關(guān)系圖光電脈沖編碼器的原理及維修在數(shù)控機(jī)床中，光電脈沖編碼器作為速度和位置檢測(cè)的元件，故障發(fā)生率較高，外在表現(xiàn)多種多樣，我們?cè)诰S修實(shí)踐中，將有關(guān)光電脈沖編碼器的故障給予歸納和分類(lèi)，使故障更加明確。1、簡(jiǎn)介首先對(duì)光電脈沖編碼器作一下簡(jiǎn)介。光電脈沖編碼器可分為增量式和絕對(duì)式。所謂增量式即編碼器轉(zhuǎn)過(guò)角度就發(fā)出脈沖，查不出軸處于什么位置，只能記錄得電后的脈沖數(shù)。機(jī)床失電后，不能記憶軸的位置。絕對(duì)式則能夠記憶軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度和空間位置。這依賴(lài)于一組或一個(gè)備用電池的支持，使機(jī)床失電后仍能保持記憶。當(dāng)然編碼器依據(jù)安裝位置不同又可分為內(nèi)裝式和外裝式，內(nèi)裝式和伺服電動(dòng)機(jī)同軸安裝，外裝式則安裝在傳動(dòng)鏈末端。編碼器輸出信號(hào)通常有兩組相位差90度的方波信號(hào)用于辨向，一個(gè)零標(biāo)志位（又稱(chēng)一轉(zhuǎn)信號(hào)），+5V電源和接地端。絕對(duì)式還有備用電池連接端。2、故障分類(lèi)故障分類(lèi)如下：（1）編碼器本身故障:是指編碼器本身元器件出現(xiàn)故障，導(dǎo)致其不能產(chǎn)生和輸出正確的波形。這種情況下需更換編碼器或維修其內(nèi)部器件。（2）編碼器連接電纜故障:這種故障出現(xiàn)的幾率最高，維修中經(jīng)常遇到，應(yīng)是優(yōu)先考慮的因素。通常為編碼器電纜斷路、短路或接觸不良，這時(shí)需更換電纜或接頭。還應(yīng)特別注意是否是由于電纜固定不緊，造成松動(dòng)引起開(kāi)焊或斷路，這時(shí)需卡緊電纜。（3）編碼器+5V電源下降:是指+5V電源過(guò)低，通常不能低于4.75V，造成過(guò)低的原因是供電電源故障或電源傳送電纜阻值偏大而引起損耗，這時(shí)需檢修電源或更換電纜。（4）絕對(duì)式編碼器電池電壓下降:這種故障通常有含義明確的報(bào)警，這時(shí)需更換電池，如果參考點(diǎn)位置記憶丟失，還須執(zhí)行重回參考點(diǎn)操作。（5）編碼器電纜屏蔽線未接或脫落:這會(huì)引入干擾信號(hào)，使波形不穩(wěn)定，影響通信的準(zhǔn)確性，必須保證屏蔽線可靠的焊接及接地。（6）編碼器安裝松動(dòng):這種故障會(huì)影響位置控制精度，造成停止和移動(dòng)中位置偏差量超差，甚至剛一開(kāi)機(jī)即產(chǎn)生伺服系統(tǒng)過(guò)載報(bào)警，請(qǐng)?zhí)貏e注意。（7）光柵污染這會(huì)使信號(hào)輸出幅度下降，必須用脫脂棉沾無(wú)水酒精輕輕擦除油污。3、實(shí)例下面以我們?cè)诰S修中遇到的兩例故障予以說(shuō)明。（1）實(shí)例一故障現(xiàn)象：加工中心DHK40主軸定向時(shí)一直低速旋轉(zhuǎn)。故障分析和處理：這很顯然是機(jī)床接收不到零標(biāo)志信號(hào)，即一轉(zhuǎn)信號(hào)。打開(kāi)機(jī)床側(cè)蓋，拆下脈沖編碼器，發(fā)現(xiàn)脈沖編碼器底部有一層粉末。完全拆開(kāi)編碼器后發(fā)現(xiàn)圓光柵上的條紋已全部被磨光，當(dāng)然發(fā)不出信號(hào)。更換新編碼器后，一切正常。此時(shí)需修改主軸準(zhǔn)停時(shí)停止位置偏移量參數(shù)，使定向位置與更換前相同。（2）實(shí)例二故障現(xiàn)象：日本櫻井專(zhuān)機(jī)開(kāi)機(jī)后出現(xiàn)123（絕對(duì)脈沖編碼器）電壓低故障。故障分析和處理：該機(jī)床已閑置5年，采用FANUC16系統(tǒng)，電池應(yīng)該失效。更換4節(jié)1號(hào)堿性干電池后，機(jī)床又顯示請(qǐng)求回參考點(diǎn)故障