編碼器原理及鑄造工程應(yīng)用分析

盧 銘

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537005）

在鑄造車間造型線分箱機(jī)、主機(jī)、下箱機(jī)、下芯機(jī)等重點(diǎn)設(shè)備中，大量使用德國福瑞巴（FRABA）公司的編碼器，其編碼器是集光機(jī)電技術(shù)于一體的速度位移傳感器，具有高分辨率，高抗干擾，高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在苛刻的工業(yè)現(xiàn)場中顯示出其較為優(yōu)異的性能，為廣大工業(yè)廠商所選用和認(rèn)可。

1 編碼器概述

1.1 增量型編碼器

如圖1，每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一系列脈沖，脈沖的數(shù)量表示角位移的測量。其內(nèi)有一圓盤——編碼盤，通常為一光學(xué)玻璃，碼盤最外圈的碼道上均布有相當(dāng)數(shù)量的透光與不透光的扇形區(qū)域，用來產(chǎn)生記數(shù)脈沖的增量碼道。碼盤刻線間距均等，對應(yīng)每一個(gè)分辨率區(qū)間，可輸出一個(gè)增量脈沖。光源發(fā)出平行且定向的光束照到碼盤上，光敏元件接受被調(diào)制的光線，獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D，每個(gè)正弦波相差90°相位差，如將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出1一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。

圖1 增量型編碼器結(jié)構(gòu)

扇形區(qū)的多少?zèng)Q定了編碼器的分辨率，扇形區(qū)越多分辨率越高。輸出的脈沖需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，一般還需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn)才能完成角位移測量。

正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的判別方法：由于A、B兩相相差90°，可通過比較A相在前還是B相在前。同時(shí)通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

辨向原理：如圖 2a）、2b）、2c）有 A 相、B 相和 Z相三條環(huán)帶，A相和B相在碼盤上互相錯(cuò)半個(gè)區(qū)域，在相位上相差1/4周期。利用B相的上升沿觸發(fā)檢測A相的狀態(tài)，由此判斷旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)碼盤以某個(gè)方向勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)（如CW），A相超前B相首先導(dǎo)通；當(dāng)碼盤反方向（CCW）勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相滯后于B相。

圖2 辨向原理

圖3 光電編碼器

其優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸，缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對位置信息。

1.2 絕對型編碼器

其碼盤上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排。通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的0次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這稱為n位絕對編碼器。

其機(jī)械位置決定每個(gè)位置是唯一的，無需記憶，無需找參考點(diǎn)，不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候想知道其位置，什么時(shí)候讀取其位置，不受停電、干擾的影響，抗干擾特性強(qiáng)，數(shù)據(jù)可靠性大，

1.3 光電型編碼器

如圖3所示，主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼盤、狹縫、圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成。當(dāng)光源將光投射在碼盤上時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤，通過亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫后，由光敏元件所接收。光敏元件的排列與碼道一一對應(yīng)，對應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號(hào)，前者為“1”，后者為“0”。當(dāng)碼盤旋至不同位置時(shí)，光敏元件輸出信號(hào)的組合反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移大小。

2 編碼器在造型線中的應(yīng)用

2.1 技術(shù)參數(shù)

造型線自動(dòng)化程度高，機(jī)械定位準(zhǔn)確，機(jī)器運(yùn)行過程受程序控制，編碼器絕對定位的位置精度在1mm，德國福瑞巴（FRABA）公司編碼器OCD光電系列（如圖4）發(fā)揮了良好的作用。

應(yīng)用場所：緊湊牢固適用于重型工業(yè)；DPV2功能：可實(shí)現(xiàn)循環(huán)通訊、非循環(huán)通訊以及從站之間的通信；外徑尺寸：58mm；實(shí)心軸徑：6mm，10mm；空心軸徑：15mm；單圈分辨率：最大 65536（16位）；圈數(shù)：16384（14位）；輸出編碼：二進(jìn)制；工作溫度：-40℃～+85℃；防護(hù)等級(jí)：外殼IP65軸部IP64。

2.2 接線方式及程序?qū)崿F(xiàn)

接線方式：FRABA編碼器是數(shù)字量的，它連接到PLC的數(shù)字量模塊，編碼器出來的1顆線對應(yīng)模塊的1位。一共連接了23顆線，其中，2顆電源線，21顆信號(hào)線。21顆信號(hào)線中，用于每轉(zhuǎn)的分辨率為13顆線；用于最大轉(zhuǎn)數(shù)為8顆線。

程序?qū)崿F(xiàn)：首先讀取編碼器的21位二進(jìn)制值，并把它存放到32位DWORD型變量中假設(shè)用MD0，如圖 5。

圖4 絕對型編碼器（PROFIBUS-DP接口）

圖5 MD0變量數(shù)據(jù)位

PLC程序構(gòu)建：要想在生產(chǎn)實(shí)際中使用此絕對型編碼器，還需要在PLC硬件布局Hardwar configure中進(jìn)行操作、編寫，把編碼器添加到現(xiàn)場總線PROFIBUS的DP MASTER SYSTEM中，如圖6。

圖6 編碼器被添加到硬件布局

編碼器地址定位：為了讓PLC識(shí)別現(xiàn)場工作環(huán)境下的編碼器，并能讀取其中的數(shù)據(jù)，必須根據(jù)PLC中給出的地址對每一個(gè)編碼器進(jìn)行設(shè)置，如圖7，如編碼器地址為74，則在圖7中：X10把旋鈕撥到7位置，X1把旋鈕撥到4位置。

2.3 編碼器故障分析

編碼器在連入PROFIBUS現(xiàn)場總線中，經(jīng)過PROFIBUS OLM光纖鏈路模塊后，把造型線1#、2#鉆氣孔機(jī)和銑口機(jī)組成串聯(lián)形式，如圖8。

圖7 編碼器地址設(shè)置

圖8 編碼器與PROFIBUS OLM模塊連接

1#、2#鉆孔機(jī)負(fù)責(zé)鉆通上型砂模36個(gè)孔，平均每臺(tái)機(jī)器鉆18個(gè)孔，按每天800箱計(jì)算，一天內(nèi)鉆孔機(jī)必須鉆通18×800=14400個(gè)孔，一年內(nèi)就是14400×365=5256000個(gè)孔。高密度的工作節(jié)奏考驗(yàn)著機(jī)器耐用度和使用壽命，連接編碼器的通訊線路和電源線往往成為電氣故障的根源所在。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，通過觀察編碼器表面端蓋的信號(hào)燈指示，如圖9，能夠迅速理清編碼器工作情況，找到問題點(diǎn)，排除故障恢復(fù)生產(chǎn)流水線。

紅燈滅、綠燈暗：表示編碼器電源缺失；

紅燈滅、綠燈亮：表示通訊數(shù)據(jù)交換模式中，處于正常工作狀態(tài)；

紅燈滅、綠燈閃爍：表示通訊數(shù)據(jù)交換前，正在處于啟動(dòng)編碼器狀態(tài)；

紅燈亮、綠燈閃爍：表示參數(shù)或布局設(shè)置錯(cuò)誤；

紅燈亮、綠燈滅：表示編碼器幾乎很長時(shí)間（約40s）沒有接受到交換數(shù)據(jù)；

紅燈閃爍、綠燈亮：表示編碼器準(zhǔn)備運(yùn)行，但沒有被主機(jī)（PLC）所響應(yīng)。

圖9 編碼器表面端蓋信號(hào)燈

3 結(jié) 論

1）編碼器將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式來表示電信號(hào)，經(jīng)工業(yè)通訊（如PROFIBUS現(xiàn)場總線）后被PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，到達(dá)閉李環(huán)控制，完成預(yù)設(shè)目標(biāo)定位。

2）編碼器的現(xiàn)場定位必選依托PLC地址預(yù)設(shè)，兩者一致才能順利讀取數(shù)據(jù)。

3）編碼器故障可以通過指示燈及說明書提示，迅速找到根源進(jìn)行排除。

［1］蔡崧.傳感器與PLC編程技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.