正余弦編碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：該編碼器適用于電梯門電機(jī)、曳引機(jī)和通用機(jī)械電機(jī)等行業(yè)的編碼器產(chǎn)品。技術(shù)方案與海德漢技術(shù)相近，要求樣機(jī)性能指標(biāo)滿足電梯等系統(tǒng)的應(yīng)用要求。并且能夠通過內(nèi)部計(jì)算獲得盡對(duì)式位置值，并通過可靠的EnDat雙向數(shù)據(jù)交流接口和控制器交換數(shù)據(jù)。除此之外，通過EnDat接口，用戶還可以將伺服驅(qū)動(dòng)的各種參數(shù)以電子銘牌的形式存儲(chǔ)在編碼器的內(nèi)存中，實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的自動(dòng)識(shí)別。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)編碼器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；光學(xué)設(shè)計(jì)；頻率響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TN762

編碼器是一個(gè)機(jī)械與電子緊密結(jié)合的精密測量器件，它通過光電原理或電磁原理將一個(gè)機(jī)械的幾何位移量轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)（電子脈沖信號(hào)或者數(shù)據(jù)串）。這種電子信號(hào)通常需要連接到控制系統(tǒng)（PLC、高速計(jì)數(shù)模塊，變頻器等），控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算便可以得到測量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步工作。編碼器一般應(yīng)用于機(jī)械角度，速度，位置的測量。

1 正余弦編碼器設(shè)計(jì)

永磁同步電動(dòng)機(jī)無齒輪傳動(dòng)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)方式將成為電梯驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主要發(fā)展方向。經(jīng)國家中小型電機(jī)檢測中心的檢測，永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率是96.4%，功率因素是0.99。要讓永磁同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)達(dá)到高效的指標(biāo)參數(shù)，變頻器給電機(jī)定子繞組加的電磁場必須與電機(jī)轉(zhuǎn)子的永磁體磁場垂直正交，因此需要高精度的旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)跟蹤電機(jī)永磁場的初始位置。這是與傳統(tǒng)的異步電機(jī)所不同的。

目前，國內(nèi)永磁同步電機(jī)上所用的旋轉(zhuǎn)編碼器為德國海德漢所壟斷，企業(yè)使用成本很高，且代理商備貨周期長。由于部件為進(jìn)口件，售后服務(wù)也很難保證。該編碼器的設(shè)計(jì)根據(jù)ERN1387及控制系統(tǒng)接口，確定編碼器關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，預(yù)期替代海德漢1387編碼器。

1.1 光學(xué)設(shè)計(jì)

LED光源采用honeywell SE3407發(fā)光管（波長880nm），光斑直徑：11mm。光電轉(zhuǎn)換單元采用2CU2光電管（擬用韓國KODENSHI替代）。圓光柵、指標(biāo)光柵采用1.1mm浮法玻璃鍍鉻膜。如圖1所示。

圖1 光學(xué)設(shè)計(jì)方案

A、B信號(hào)由指標(biāo)光柵和圓光柵之間的漠爾條紋產(chǎn)生正弦波。C、D信號(hào)由圓光柵上透光能量按照正弦變化的透光區(qū)產(chǎn)生。R信號(hào)由按照10條零線按照一定的規(guī)則排布組成條紋，當(dāng)兩條紋完全重合時(shí)產(chǎn)生信噪比為5：1的零線信號(hào)。

圖2 光柵設(shè)計(jì)方案

圓光柵柵距是62.8μm，采用1.1mm厚浮法玻璃，非透光區(qū)鍍鉻膜刻線數(shù)為2048。指標(biāo)光柵設(shè)計(jì)：AB碼道柵線粗31.4μm。C、D狹縫角格值：2°。零線粗：45.3μm零區(qū)寬：1.54mm。信噪比：5：1。如圖2所示。

1.2 電路設(shè)計(jì)

光電管反并聯(lián)設(shè)計(jì)，有效抑制諧波；CD信號(hào)雙函數(shù)碼道設(shè)計(jì)，定位更精準(zhǔn)；通過EEPROM軟件設(shè)定幅值、相位、偏移電壓等；差分輸出，抗干擾強(qiáng)，易于信號(hào)傳輸。如圖3所示。

圖3 電路設(shè)計(jì)方案

1.3 技術(shù)指標(biāo)測試

本編碼器與海德漢編碼器波形質(zhì)量對(duì)比如表1。

除以上對(duì)比項(xiàng)差異外，其它技術(shù)指標(biāo)均與海德漢相同。

2 結(jié)束語

該編碼器設(shè)計(jì)技術(shù)方案與海德漢技術(shù)相近，樣機(jī)性能滿足電梯系統(tǒng)的應(yīng)用要求；最高工作溫度指標(biāo)需改進(jìn)提高。工藝直接決定性能，需尋求專業(yè)工藝設(shè)計(jì)。AB信號(hào)“抖動(dòng)”，需用高倍電子顯微鏡提高光柵與軸心同心度，建議聯(lián)軸節(jié)部分可以先開模具，以便進(jìn)行聯(lián)軸節(jié)疲勞試驗(yàn)。

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作者簡介：吳紅梅（1981-），女，浙江金華人，講師，從事應(yīng)用電子及編碼技術(shù)。

作者單位：杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信電系，杭州 310018

基金項(xiàng)目：浙江省教育廳科研項(xiàng)目“旋轉(zhuǎn)編碼器的研究與應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：Y201224855）。