光電編碼器原理與維修.doc

高精度的光電編碼器的結構及原理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部結構、工作原理與位置檢測的方法。一、光電編碼器的介紹：光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機轉子的位置信息的。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構與工作原理做介紹。（一）、絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器如圖所示，他是通過讀取編碼盤上的二進制的編碼信息來表示絕對位置信息的。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。圖1是二進制的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用“0”來表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”來表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個碼道表示二進制數(shù)的一位，其中最外側的是最低位，最里側的是最高位。如果編碼盤有4個碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進制的23、22、21和20，4位二進制可形成16個二進制數(shù)，因此就將圓盤劃分16個扇區(qū)，每個扇區(qū)對應一個4位二進制數(shù)，如0000、0001、1111。 圖1按照碼盤上形成的碼道配置相應的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極管和驅動電子線路。當碼盤轉到一定的角度時，扇區(qū)中透光的碼道對應的光敏二極管導通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對應的光敏二極管不導通，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隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號，然后根據(jù)位置變化的方向用計數(shù)器對脈沖進行加/減計數(shù)，以此達到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、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軸轉動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯開90o相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號。工作時，鑒向盤不動，主光柵碼盤隨轉子旋轉，光源經透鏡平行射向主光柵碼盤，通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差90o的近似正弦信號，再由邏輯電路形成轉向信號和計數(shù)脈沖信號。為了獲得絕對位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉一周，輸出一個零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測電機的位置和速度。二、光電編碼器的測量方法：光電編碼器在電機控制中可以用來測量電機轉子的磁場位置和機械位置以及轉子的磁場和機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用方法做一下介紹。（一）、使用光電編碼器來測量電機的轉速可以利用定時器/計數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機的轉速。具體的測速方法有M法、T法和M/T法3種。M法又稱之為測頻法，其測速原理是在規(guī)定的檢測時間Tc內，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數(shù)的測速方法，如圖2所示，例如光電編碼器是N線的，則每旋轉一周可以有4N個脈沖，因為兩路脈沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號4倍頻?，F(xiàn)在假設檢測時間是Tc，計數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是M1，則電機的每分鐘的轉速為在實際的測量中，時間Tc內的脈沖個數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個脈沖的誤差。如果要求測量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說是小于百分之一，那么M1就應該大于50。在一定的轉速下要增大檢測脈沖數(shù)M1以減小誤差，可以增大檢測時間Tc單考慮到實際的應用檢測時間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測量速度用于反饋控制，一般應在0.01秒以下。由此可見，減小測量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。M法測速適用于測量高轉速，因為對于給定的光電編碼器線數(shù)N機測量時間Tc條件下，轉速越高，計數(shù)脈沖M1越大，誤差也就越小。T法也稱之為測周法，該測速方法是在一個脈沖周期內對時鐘信號脈沖進行計數(shù)的方法，如圖3所示。例如時鐘頻率為fclk,計數(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個脈沖，那么電機的每分鐘的轉速為為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此T法測速適用于低速運行的場合。但轉速太低，一個編碼器輸出脈沖的時間太長，時鐘脈沖數(shù)會超過計數(shù)器最大計數(shù)值而產生溢出;另外，時間太長也會影響控制的快速性。與M法測速一樣，選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對電機轉速測量的快速性與精度。M/T法測速是將M法和T法兩種方法結合在一起使用，在一定的時間范圍內，同時對光電編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1和M2進行計數(shù)，則電機每分鐘的轉速為 實際工作時，在固定的Tc時間內對光電編碼器的脈沖計數(shù)，在第一個光電編碼器上升沿定時器開始定時，同時開始記錄光電編碼器和時鐘脈沖數(shù)，定時器定時Tc時間到，對光電編碼器的脈沖停止計數(shù)，而在下一個光電編碼器的上升沿到來時刻，時鐘脈沖才停止記錄。采用M/T法既具有M法測速的高速優(yōu)點，又具有T法測速的低速的優(yōu)點，能夠覆蓋較廣的轉速范圍，測量的精度也較高，在電機的控制中有著十分廣泛的應用。（二）使用增量式光電編碼器來判別電機轉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A和B，當電機正轉時，脈沖信號A的相位超前脈沖信號B的相位90o，此時邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號Dir。當電機反轉時，脈沖信號A的相位滯后脈沖信號B的相位90o，此時邏輯電路處理后的方向信號Dir為低電平。因此根據(jù)超前與滯后的關系可以確定電機的轉向。其轉速辯相的原理如圖4所示圖4轉向判別原理圖（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，通過計相位相差90o的兩路正交脈沖信號A和B的上升沿與下降沿已達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，以實現(xiàn)對電機位置的精確控制。其工作原理與脈沖的相位關系如圖5所示圖5 脈沖四倍頻相位關系圖光電脈沖編碼器的原理及維修在數(shù)控機床中，光電脈沖編碼器作為速度和位置檢測的元件，故障發(fā)生率較高，外在表現(xiàn)多種多樣，我們在維修實踐中，將有關光電脈沖編碼器的故障給予歸納和分類，使故障更加明確。1、簡介首先對光電脈沖編碼器作一下簡介。光電脈沖編碼器可分為增量式和絕對式。所謂增量式即編碼器轉過角度就發(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)。機床失電后，不能記憶軸的位置。絕對式則能夠記憶軸轉過的角度和空間位置。這依賴于一組或一個備用電池的支持，使機床失電后仍能保持記憶。當然編碼器依據(jù)安裝位置不同又可分為內裝式和外裝式，內裝式和伺服電動機同軸安裝，外裝式則安裝在傳動鏈末端。編碼器輸出信號通常有兩組相位差90度的方波信號用于辨向，一個零標志位（又稱一轉信號），+5V電源和接地端。絕對式還有備用電池連接端。2、故障分類故障分類如下：（1）編碼器本身故障:是指編碼器本身元器件出現(xiàn)故障，導致其不能產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，維修中經常遇到，應是優(yōu)先考慮的因素。通常為編碼器電纜斷路、短路或接觸不良，這時需更換電纜或接頭。還應特別注意是否是由于電纜固定不緊，造成松動引起開焊或斷路，這時需卡緊電纜。（3）編碼器+5V電源下降:是指+5V電源過低，通常不能低于4.75V，造成過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，這時需檢修電源或更換電纜。（4）絕對式編碼器電池電壓下降:這種故障通常有含義明確的報警，這時需更換電池，如果參考點位置記憶丟失，還須執(zhí)行重回參考點操作。（5）編碼器電纜屏蔽線未接或脫落:這會引入干擾信號，使波形不穩(wěn)定，影響通信的準確性，必須保證屏蔽線可靠的焊接及接地。（6）編碼器安裝松動:這種故障會影響位置控制精度，造成停止和移動中位置偏差量超差，甚至剛一開機即產生伺服系統(tǒng)過載報警，請?zhí)貏e注意。（7）光柵污染這會使信號輸出幅度下降，必須用脫脂棉沾無水酒精輕輕擦除油污。3、實例下面以我們在維修中遇到的兩例故障予以說明。（1）實例一故障現(xiàn)象：加工中心DHK40主軸定向時一直低速旋轉。故障分析和處理：這很顯然是機床接收不到零標志信號，即一轉信號。打開機床側蓋，拆下脈沖編碼器，發(fā)現(xiàn)脈沖編碼器底部有一層粉末。完全拆開編碼器后發(fā)現(xiàn)圓光柵上的條紋已全部被磨光，當然發(fā)不出信號。更換新編碼器后，一切正常。此時需修改主軸準停時停止位置偏移量參數(shù)，使定向位置與更換前相同。（2）實例二故障現(xiàn)象：日本櫻井專機開機后出現(xiàn)123（絕對脈沖編碼器）電壓低故障。故障分析和處理：該機床已閑置5年，采用FANUC16系統(tǒng)，電池應該失效。更換4節(jié)1號堿性干電池后，機床又顯示請求回參考點故障