旋轉(zhuǎn)編碼器的原理及應(yīng)用研究

【摘要】旋轉(zhuǎn)編碼器是采用現(xiàn)代技術(shù)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝置，它的功能非常強(qiáng)大，同時(shí)具備電、機(jī)、集光的功能，如今，它的應(yīng)用范圍極為廣闊，將其應(yīng)用在高精度的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床中，可以減少人工操作，簡(jiǎn)化和規(guī)范操作程序，可以對(duì)加速度的傳感器以及相關(guān)設(shè)備的位移、速度，角度進(jìn)行檢測(cè)，并能進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，使相關(guān)的參數(shù)值以電氣信號(hào)的形式出現(xiàn)，以便更好地處理信號(hào)。本文首先參考了旋轉(zhuǎn)編碼器的基本原理，接著簡(jiǎn)述了轉(zhuǎn)編碼器的分類，最后分析了其在WK-35電鏟上的應(yīng)用與安裝使用時(shí)的注意事項(xiàng)。

引言

編碼器是一個(gè)機(jī)械與電子緊密結(jié)合的精密測(cè)量器件，它通過(guò)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(guò)計(jì)算便可以得到測(cè)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(cè)量。編碼器按結(jié)構(gòu)形式可分為直線式編碼器和旋轉(zhuǎn)式編碼器兩種類型。下面我們主要以旋轉(zhuǎn)編碼器作為主要研究對(duì)象來(lái)展開(kāi)研究。

1、旋轉(zhuǎn)編碼器簡(jiǎn)介

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種先進(jìn)的傳感器，它能將實(shí)際的機(jī)械參數(shù)值轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)，并在處理電氣信號(hào)的基礎(chǔ)上，對(duì)裝置的速度、位置進(jìn)行檢測(cè)。如今，它的應(yīng)用不斷普及，不僅可以用來(lái)檢測(cè)裝置的旋轉(zhuǎn)方向，還可以用來(lái)檢測(cè)裝置的角度、位置。

旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)合了干涉成像掃描和光電成像掃描的工作原理。它與測(cè)量基準(zhǔn)的光電掃描是分開(kāi)的，因此可以進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，傳送可靠的數(shù)據(jù)，使用周期長(zhǎng)。簡(jiǎn)而言之，光電成像掃描輸入輸出信號(hào)的方式與旋轉(zhuǎn)編碼器不一樣，它是通過(guò)透射光來(lái)進(jìn)行的，有兩個(gè)相同柵距的光柵，即掃描光柵和圓光柵朝不同的方向運(yùn)動(dòng)。測(cè)量基準(zhǔn)的光柵尺可以是透明的也可以是非透明的，而掃描光柵的基體必須是透明的。

1.1旋轉(zhuǎn)編碼器的分類

旋轉(zhuǎn)編碼器的功能十分強(qiáng)大，按照其功能原理可分為以下兩類：絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器和增量型旋轉(zhuǎn)編碼器。

1）絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器。絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器具有自身的特點(diǎn)，它的碼盤(pán)不同于其他旋轉(zhuǎn)編碼器的碼盤(pán)，有很多光通道刻線分布在其碼盤(pán)上，每道刻線的編排都有一定的規(guī)律，排列非常整齊。如此一來(lái)，就可以減少人工操作，只需仔細(xì)觀察編碼器，并根據(jù)其碼盤(pán)刻線的具體情況就可以獲取唯一的二進(jìn)制編碼，這個(gè)二進(jìn)制編碼是以20——2n-1排列的，這種就叫作n位絕對(duì)編碼器。這種編碼器之所以不會(huì)受干擾、停電的影響，是因?yàn)樗怯晒怆姶a盤(pán)的機(jī)械位置決定。它對(duì)定位控制有著重要的作用，它能夠分擔(dān)電子接收設(shè)備的計(jì)算任務(wù)，從而降低了裝置的成本。同時(shí)，它可以對(duì)電源進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)電源出現(xiàn)異?；蚯袛嚯娫春笤倩謴?fù)正常運(yùn)作，它可以迅速地調(diào)整機(jī)械裝置的參數(shù)值。機(jī)械的位置決定了絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器的位置，因此，這種編碼器的位置是獨(dú)一無(wú)二的，它不需要進(jìn)行存儲(chǔ)，能夠迅速地回歸到正常的參數(shù)值，而且可以分擔(dān)其他電子接收設(shè)備的計(jì)算任務(wù)，可以在任何時(shí)候迅速地找到它的位置。這種編碼器可以為人們提供可靠的數(shù)據(jù)且具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

1.2旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出電路方式

1）開(kāi)路集電極輸出。以輸出電路的晶體管發(fā)射極為共通型，以集電極為開(kāi)放式的輸出電路。2）電壓輸出。以輸出電路的晶體管的發(fā)射極為共通型，在集電極與電源間插入電阻，并輸出因電壓而變化的集電極的輸出電路。3）線路驅(qū)動(dòng)器輸出。這種輸出方式具有自身的優(yōu)勢(shì)，它是一種專用的IC方式，不僅能迅速傳送數(shù)據(jù)，而且傳送的范圍極為廣闊，符合RS422-A的數(shù)據(jù)傳送標(biāo)準(zhǔn)。信號(hào)的輸出與其他設(shè)備大不相同，可以雙向輸出信號(hào)，因此，它能保護(hù)設(shè)備使其不受干擾。線路驅(qū)動(dòng)器也可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器接受其輸出的信號(hào)時(shí)，就叫作線連接。4）特殊需要的輸出。旋轉(zhuǎn)編碼器的特殊輸出是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需求。目前，這種特殊輸出的接口有很多，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，EtherCAT、DeviceNet、SSI等都屬于此類接口。5）增量型旋轉(zhuǎn)編碼器。軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，增量型編碼器就會(huì)對(duì)其數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)并輸出脈沖，要知道其移動(dòng)的速度就要對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖值和周期進(jìn)行分析。若在一個(gè)參考點(diǎn)后面，脈沖值一直呈上升趨勢(shì)，行程的參數(shù)或轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就可以用其計(jì)算值來(lái)表示。雙通道編碼器輸出的脈沖會(huì)有一個(gè)角度差，這個(gè)角度差為90，正是有這個(gè)角度差它才能夠與接收脈沖的電子設(shè)備共同運(yùn)作，迅速地接收軸的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)信號(hào)，因此，它可以雙向輸出信號(hào)，對(duì)裝置進(jìn)行更好地控制。此外，三通道增量型編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)參數(shù)值為0的脈沖，這種脈沖就是零位信號(hào)的脈沖。增量型旋轉(zhuǎn)編碼器與絕對(duì)型編碼器不同，它的位置要根據(jù)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出的脈沖值并要進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)編碼器停止運(yùn)作時(shí)或切斷電源時(shí)，編碼器的位置就要根據(jù)其歷史存儲(chǔ)的參數(shù)值來(lái)確定。如此一來(lái)，在切斷電源后，編碼器的位置不能發(fā)生任何的變化；在接通電源后，不能對(duì)其輸出的脈沖進(jìn)行干擾，使其脈沖丟失，不然計(jì)數(shù)設(shè)備就和很難找到剛開(kāi)始計(jì)數(shù)的位置，也無(wú)法知道它與歷史參數(shù)值的差值，只有在生產(chǎn)發(fā)生故障時(shí)才可得知。面對(duì)這種情況，可以采取增加參考點(diǎn)來(lái)解決，編碼器可以根據(jù)參考點(diǎn)的參數(shù)值來(lái)尋找計(jì)數(shù)設(shè)備的原始位置。在參考點(diǎn)之前，是無(wú)法準(zhǔn)確找到計(jì)數(shù)設(shè)備的原始位置的。因此，在工控中可以采取尋找參考點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)機(jī)來(lái)恢復(fù)正常參數(shù)值等方法來(lái)進(jìn)行操作，這樣的方法也有一定的缺陷和不足，無(wú)法控制工程量浩大的工程項(xiàng)目，甚至不能通過(guò)開(kāi)機(jī)來(lái)恢復(fù)正常參數(shù)值，這就需要借助上述旋轉(zhuǎn)編碼器了。

2、旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用及注意事項(xiàng)

旋轉(zhuǎn)編碼器在各種大型工業(yè)設(shè)備上均有廣泛應(yīng)用，我們公司應(yīng)用的大型礦用挖掘設(shè)備（WK-35電鏟）的推壓機(jī)構(gòu)配備有限位旋轉(zhuǎn)編碼器，可有效地保護(hù)推壓傳動(dòng)裝置和結(jié)構(gòu)件不承受更大的沖擊載荷；同時(shí)在提升裝置的卷軸上同樣安裝了限位旋轉(zhuǎn)編碼器，以保護(hù)提斗繩不受到過(guò)分的提升和下放，從而避免設(shè)備受到不必要的損壞。

旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用極為復(fù)雜，要將其進(jìn)行應(yīng)用必須綜合考慮各種問(wèn)題，在這些問(wèn)題中，抗干擾問(wèn)題是最為關(guān)鍵的問(wèn)題，必須優(yōu)先考慮，只有發(fā)揮旋轉(zhuǎn)編碼器的屏蔽功能，才能更好地抑制干擾，同時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝錯(cuò)誤也要引起重視。為避免因連結(jié)不當(dāng)而造成編碼器不能正常工作，請(qǐng)注意以下幾點(diǎn)：1）使用屏蔽電纜，同時(shí)要有接線器和接線箱，以免受到外部環(huán)境干擾；2）在軸上裝聯(lián)軸器時(shí)，不能硬壓入，以免給轉(zhuǎn)軸施加直接的沖擊，編碼器與機(jī)器的連接應(yīng)使用柔性聯(lián)軸器；3）使用屏蔽電纜連接編碼器、接線盒、端子箱和一些電子設(shè)施，在電纜人口處，盡可能地避免自感現(xiàn)象，整個(gè)屏蔽系統(tǒng)應(yīng)與大地相連；4）編碼器的電纜應(yīng)與其它干擾源（如電機(jī)、電磁閥等）分離；5）如果電纜連接異常，與螺釘型端子相連，就要對(duì)屏蔽層進(jìn)行優(yōu)化，使其與地面直接連接；6）編碼器與電子設(shè)施相連時(shí)，當(dāng)工作電壓為5V時(shí)，則電纜最長(zhǎng)可達(dá)100米；當(dāng)工作電壓為10V—30V時(shí)，則電纜最長(zhǎng)可達(dá)200米。接點(diǎn)處電壓應(yīng)與編碼器規(guī)定的操作電壓一致；7）當(dāng)編碼器工作時(shí)，不能斷開(kāi)任何接線和插頭。

3、結(jié)束語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，它在自動(dòng)控制領(lǐng)域中扮演著重要的角色，具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。因此，了解旋轉(zhuǎn)編碼器的原理并將其進(jìn)行應(yīng)用，有利于識(shí)別故障和維護(hù)設(shè)備。