編碼器在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄧?yán)^祥

（攀鋼工程公司修建分公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

隨著科技進(jìn)步，控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，對(duì)檢測(cè)元件的精度要求也越來(lái)越高。編碼器作為檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種傳感器，既可以檢測(cè)轉(zhuǎn)速，又可以檢測(cè)距離、位置、角位移和計(jì)數(shù)。編碼器作為“一體多能”的檢測(cè)元件，在傳動(dòng)控制系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛使用。

1 編碼器的安裝

編碼器的安裝通常有直連式和聯(lián)軸器連接2 種方式。它們各自有優(yōu)缺點(diǎn)，也與控制系統(tǒng)的要求有關(guān)。

1.1 直接安裝方式

直連式要配套使用，即在驅(qū)動(dòng)器上有專門的安裝編碼器的輸出軸，該輸出軸的直徑略小于編碼器的軸承內(nèi)徑。安裝時(shí)將編碼器的內(nèi)圈與驅(qū)動(dòng)器輸出軸組裝，緊固編碼器上的鎖緊裝置，使編碼器內(nèi)圈與驅(qū)動(dòng)器輸出軸在運(yùn)行時(shí)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。編碼器外殼的附屬?gòu)椈善苯影惭b于驅(qū)動(dòng)器外殼，如圖1 所示。

直連式安裝的優(yōu)點(diǎn)是不需要找編碼器與驅(qū)動(dòng)器的同心度，直接安裝緊固即可。外殼的固定也沒(méi)有位置和精度要求，安裝前自由旋轉(zhuǎn)的附屬金屬片固定在驅(qū)動(dòng)器的外殼上即可。缺點(diǎn)是沒(méi)有電氣隔離，如果驅(qū)動(dòng)器是電磁原理驅(qū)動(dòng)（如電機(jī)），運(yùn)行中有可能會(huì)受到電磁干擾，使檢測(cè)信號(hào)失真。

圖1 直接安裝在驅(qū)動(dòng)器輸出軸上的編碼器

1.2 聯(lián)軸器連接安裝方式

聯(lián)軸器連接就是將編碼器與驅(qū)動(dòng)器通過(guò)中間過(guò)渡后連接。這種編碼器有輸出軸和固定外殼的法蘭盤，需要將輸出軸與驅(qū)動(dòng)器輸出軸通過(guò)中間環(huán)節(jié)連接起來(lái)，同時(shí)需要單獨(dú)的固定支架支撐編碼器的法蘭盤。中間連接的聯(lián)軸器通常為軟連接，主要是運(yùn)行中的驅(qū)動(dòng)器與編碼器同心度發(fā)生偏移時(shí)確保編碼器不受傷害，如圖2 所示。

圖2 聯(lián)軸器連接安裝方式

聯(lián)軸器連接方式必須找準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器輸出軸和編碼器連接軸的同心度，因此安裝要求高于直接連接方式。但它的電氣隔離效果良好，采集的信號(hào)基本不會(huì)受到來(lái)自驅(qū)動(dòng)器的電磁干擾。

1.3 其他方式

在一些特別場(chǎng)所，還可以增加輔助機(jī)械安裝方式，如齒輪齒條、鏈條皮帶、摩擦轉(zhuǎn)輪、收繩機(jī)械等。

2 編碼器的信號(hào)采集

對(duì)于信號(hào)采集，可以根據(jù)編碼器信號(hào)輸出形式分為模擬量編碼器和數(shù)字量編碼器。為避免采集信號(hào)的多重轉(zhuǎn)換，在應(yīng)用中可根據(jù)用途選擇編碼器的信號(hào)輸出模式。

2.1 模擬信號(hào)的采集

在控制系統(tǒng)中，從編碼器中采集的模擬信號(hào)通常與變頻器結(jié)合使用，用于檢測(cè)反饋信號(hào)，使系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行平滑、穩(wěn)定的目的。

在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，光柵一側(cè)固定有光接收傳感器，另一側(cè)有固定光源，使用時(shí)碼盤隨電機(jī)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。放大、整形處理，再送入變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)中參與控制，產(chǎn)生A、B 和Z 信號(hào)，A 和B 存在90°的相位差，用以產(chǎn)生正交脈沖信號(hào)，測(cè)定位置增量。Z 信號(hào)每轉(zhuǎn)一圈觸發(fā)一個(gè)窄脈沖用來(lái)做基準(zhǔn)校驗(yàn)。在變頻器的信號(hào)接收控制板上有專門的接線標(biāo)志，與編碼器的引出線一一對(duì)應(yīng)連接即可，如圖3 所示。

圖3 編碼器信號(hào)采集接線原理

2.2 數(shù)字信號(hào)的采集

數(shù)字量編碼器與PLC 配套使用時(shí)有專門的HSC 高速計(jì)數(shù)模塊。接線時(shí)將編碼器每一根線的定義區(qū)分開，常用的編碼器有2 根電源線，即DC 24 V 和COM 組成。信號(hào)采集線A、B 直接接在高速計(jì)數(shù)器的輸入模塊上，只要編制程序時(shí)將采集的輸入信號(hào)與輸入地址對(duì)應(yīng)即可。編碼器直接連接PLC 時(shí)的模塊組態(tài)如圖4 所示。

圖4 編碼器直接連接西門子PLC 組態(tài)

3 編碼器信號(hào)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 編碼器與變頻器結(jié)合使用

通常從編碼器的光電檢測(cè)中獲得的信號(hào)電平較低，波形也不規(guī)則，不能直接用于控制、信號(hào)處理和遠(yuǎn)距離傳輸。因此，采集到的信號(hào)送入變頻器中還有專門的控制板對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形處理，再送入變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)中參與控制，如圖5所示。

3.2 編碼器與PLC 結(jié)合使用

圖5 變頻器中編碼器信號(hào)接收控制板

編碼器采集的模擬信號(hào)，是驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)，編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)速度的快慢反映到編碼器脈沖次數(shù)變化的頻次而采集的信號(hào)。采集數(shù)字信號(hào)也不是能夠直接參與控制的信號(hào)，而是采集脈沖個(gè)數(shù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后才能夠送入控制程序中參與系統(tǒng)控制。常用的西門子PLC 中有以下2 種轉(zhuǎn)換方式。

（1）逐一轉(zhuǎn)換。將采集的編碼器信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令轉(zhuǎn)換成整數(shù)、長(zhǎng)整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)等，再進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算。一步一步轉(zhuǎn)換成需要的可以直接參與系統(tǒng)控制、顯示的信號(hào)。

（2）在程序中調(diào)用既定模塊。直接將采集的編碼器信號(hào)通過(guò)程序塊運(yùn)行后，輸出可以參與程序控制的數(shù)字信號(hào)，如圖6所示。

4 編碼器與傳統(tǒng)檢測(cè)元件比較的優(yōu)缺點(diǎn)

速度和位置、位移檢測(cè)元件，隨著科技進(jìn)步和新產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用，經(jīng)過(guò)了多次更新?lián)Q代。早期使用的速度反饋信號(hào)采集通常是用測(cè)速發(fā)電機(jī)或串接霍爾元件，位置信號(hào)的采集通常用限位器（極限），雖然型號(hào)種類各異，其工作原理是一樣的。距離檢測(cè)則是檢測(cè)主回路的電壓或電流變化，經(jīng)過(guò)幾重?fù)Q算得出結(jié)果，誤差比較大。這些逐步被淘汰的檢測(cè)元件的功能較單一，即檢測(cè)限位器只能做位置檢測(cè)器件。檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，采集的信號(hào)基本上可以直接送入控制回路直接參與控制。而且這些元件的安裝、使用方法也相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)電氣專業(yè)從業(yè)人員要求不是很高。

編碼器利用光電原理，對(duì)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)速度、位置和距離都可以檢測(cè)出來(lái)，并且精度也很高。但它不能夠單獨(dú)直接使用，需要與變頻器或PLC 配合使用，其安裝、調(diào)試和應(yīng)用的要求比較高。對(duì)電氣專業(yè)從業(yè)人員要求也比較高，除了掌握編碼器本身的應(yīng)用知識(shí)外，還需要掌握變頻器和PLC 的相關(guān)知識(shí)。

圖6 西門子PLC 中固定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊程序