光电旋转编码器在工业控制中的应用

2019-09-18

1.概述

在工业控制领域,编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种位移测量。

目前,应用最广泛的是利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字检测装置。作为一次光电传感检测元件的光电编码器,具有精度高、响应快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等显著的优点。按结构形式可分为直线式编码器和旋转式编码器两种类型。

 
图l所示为旋转编码器的基本原理:主轴与两块圆光栅盘相连,光射入并通过该光栅时,分别用两个光栅面感光。由于两个感光面具有90度的相位差。因此将该输出输入数字加减计算器,就能以分度值来表示角度。

旋转编码器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成。从光电编码器的输出信号种类来划分,可分为增量式和绝对值式两大类,其中绝对值式又分为单圈和多圈两种。

 


 

2.发展历程

 

2.1从接近开关与光电开关到旋转编码器

工业控制中的定位,接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了,而且很好用。可是,随着工业控制的不断发展,对精确定位的要求越来越高,选用旋转编码器的应用优点就更加突出了。

信息化:除了定位,控制室还知道被控器件的具体位置。

柔性化:定位可以在控制室柔性调整。

现场安装的方便、安全和长寿:拳头大小的一个旋转编码器,可以测量从几个微米到几百米的距离,n个工位。只要解决旋转编码器的安全安装问题,就可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦以及容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。由于是光电码盘,无机械损耗,只要安装位置准确,其使用寿命往往很长。

多功能化:除了定位,还可以远传当前位置,换算运动速度,对于变频器、步进电机等的应用尤为重要。

经济化:对于多个控制工位,只需一个旋转编码器的成本,安装、维护、损耗成本降低,使用寿命增长,其经济化逐渐突显出来。

 

2.2从增量式编码器到绝对式编码器

旋转增量式编码器转动时输出脉冲,通过计数设备来知道其位置,当编码器不动或停电时,依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样,当停电后,编码器不能有任何的移动;当来电工作时,编码器输出脉冲过程中,也不能有干扰而丢失脉冲,不然,计数设备记忆的零点就会偏移,而且这种偏移的量是无从知道的,只有错误的生产结果出现后才能知道。

解决的方法是增加参考点,编码器每经过参考点,将参考位置修正进计数设备的记忆位置。

在参考点以前,是不能保证位置的准确性的。为此,在工业控制中就有每次操作先找参考点,开机找零等方法。比如,打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理,每次开机,都能听到噼哩啪啦的一阵响,它在找参考零点,然后才工作。这样的方法对有些工业控制项目比较麻烦,甚至不允许开机找零(开机后就要知道准确位置),于是就有了绝对编码器的出现。

绝对编码器光码盘上有许多道刻线,每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排,这样在编码器的每一个位置,通过读取每道刻线的通、暗,获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码),这就称为位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的,它不受停电、干扰的影响。

绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性,它无需记忆,无需找参考点,而且不用一直计数,什么时候需要知道位置,什么时候就去读取它的位置。这样,编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器,已经越来越多地应用于工业控制定位中。

 

2.3从单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器

旋转单圈绝对式编码器,以转动中测量光码盘各道刻线,以获取唯一的编码,当转动超过360°时,编码又回到原点,这样就不符合绝对编码唯一的原则,这样的编码器只能用于旋转范围360°以内的测量,称为单圈绝对式编码器。

如果要测量旋转超过360°范围,就要用到多圈绝对式编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理,当中心码盘旋转时,通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮,多组码盘),在单圈编码的基础上再增加圈数的编码,以扩大编码器的测量范围,这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器。它同样是由机械位置确定编码,每个位置编码唯一不重复,而无需记忆。另一个优点是由于测量范围大,实际使用往往富裕较多这样在安装时不需费劲找零点,将某一中间位置作为起始点就可以了,大大简化了安装调试难度。

多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显,已经越来越多地应用于工业控制定位中。

 

3.信号输出

编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出等输出形式。

 

3.1并行输出

对于绝对编码器,信号并行输出是时间上数据同时发出:空间上,每个位数的数据各占用一根线缆。对于位数不高的绝对编码器,一般就直接以此形式输出数码,可直接进入PLC或上位机的I/O接口。

这种方式输出即时,连接简单。但是,对于位数较多的绝对编码器,有许多芯电缆,由此带来工程难度和诸多不便、降低了可靠性。因此,在绝对编码器多位数输出一般不采用并行输出型,而是选用串行输出或总线型输出。

 

3.2串行输出

串行输出是时间上数据按照约定,有先后输出;空间上,所有位数的数据都在一组电缆上(先后)发出。这种约定称为“通讯协议”,其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。串行输出连接线少,传输距离远,可靠性就大大提高了,但传输速度比并行输出慢。

 

3.3现场总线型输出

现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号线连接在一起,通过设定地址,用通讯方式传输信号。信号的接收设备只需一个接口,就可以读多个编码器信号。常用总线型编码器有PROFIBUS-DP、CAN、DeviceNet、Interbus等。总线型编码器可以节省连接线缆、接收设备接口,传输距离远,在多个编码器集中控制的情况下还可以大大节省成本。

 

3.4变送一体型输出

信号已经在编码器内换算后直接变送输出,其有模拟量4-20mA输出、RS485数字输出、USB输出、14位并行输出。

 


 

4.工业控制中的应用

光电旋转编码器结构简单,广泛应用于高精度角度、位移检测系统中,例如数控机床等。

 

4.1脉冲盘式角度—数字编码器

在一个圆盘的边缘上开有相等角距的缝隙(分成透明和不透明的部分),在开缝圆盘两边分别安装光源及光敏元件,当圆盘随工作轴一起转动时,每转过一个续隙就发生一次光线的明暗变化,经过光敏元件就产生一次电信号的变化,经整形、放大,就可以得到一定幅值和功率的电脉冲信号,脉冲数等于转过的缝隙数,将上述信号送到计数器,则计数码就反映了圆盘的转角。为了判断旋转方向,可以采用两套光电装置,它们在空间的相对位置有一定的关系,保证它们产生的信号在相位上相差1/4周期。正转时光敏元件2比光敏元件1先感光,此时与门DAl有输出,将加减控制触发器置“1”,使可逆计数器的加法母线为高电位.同时DAl的输出脉冲又经或门达到可逆计数器的计数输入端,计数器进行加法计数。反转时则光敏元件1比元件2先感光,计数器进行减法计数,这样就可以识别旋转方向,自动进行加减法计数计数。由于它每次反映的都是相对于上次角度的增量,所以这种测量属于增量法。

 

 

图2  辨向环节逻辑电路框图


3  辨向环节逻辑电路波形图

 

4.2光电式角度—数字编码器

码盘式角度-数字编码器是按角度直接进行编码的传感器。按码盘结构可分为接触式、光电式和电磁式。无论哪种型式.码盘的结构原理是相同的。

 

4.2.1、码盘的结构和工作原理

图4是一个接触式四位二进制码盘。涂黑部分是导电区。所有导电部分连在一起接高电位。空白部分为绝缘区。在每圈码道上都有一个电刷,电刷经电阻接地。当码盘与轴一起旋转时。申刷上将出现相应的电位,对应—定的数码。若采用n位码盘,则能分辨的角度α为360°/2­­­n。位数n越大,能分辨的角度越小,测量也越精确。

二进制码盘很简单,但在实际应用时对码盘的制作和安装要求十分严格,否则极易出错。采用工艺上或电路方法可消除误差,但十分复杂,因此很少采用。应用广泛的是采用循环码取代二进制码。循环码的特点是相邻两个数码间只有一位是变化的,因此即使制作和安装不到位,产生的误差最多也只是一位。图5是一个四位循环码盘。


图4  二进制码盘示意图       图5  四位循环码盘

 

4.2.2、光电式角度—数字编码器

光电式角度—数字编码器包括光源、光学系统、码盘、读出系统和电路系统。编码器的精度主要由码盘的精度所决定,目前的分辨牢可以达到0.15”,径向线宽度为0.067rad·s。通常码盘是用玻璃制成的,码盘上有代表数码的透明和不透明的图形,这些图形是采用照相制版及真空镀膜工艺制成的。码盘的透明和不透明图形必须清晰,边缘必须光滑,以减少光电元件在电乎转换时产生的过渡噪声。

为了提高编码器的分辨李,在光电式角度数字编码器中采用了二进制码盘、脉冲增量式码盘再加细分电路构成的高位数绝对式角度数字编码器。例如,有2­­­­­­­­­19分之一分辨率的编码器,它的码盘内层有14条码道,通过光学系统产生14位二进制数字输出码,外层码道有两路增量脉冲光学系统,产生一个正弦杨出和余弦输出,使编码器的分辨率从214分之一提高到219分之一,相当于0.2rad·s。

 


 

5.结束语

光电旋转编码器以其高精度、高分辨力、高频响以及体积小、重量轻、结构简单、可实现数字量输出等综合技术优势在现代精密测量与控制设备中得到了广泛应用,是工业控制中比较理想的位移、角度传感器。随着光电科学的发展,采用新原理、应用新技术的各类新型光电轴角编码器将会不断出现,并向着小型化、智能化和集成化的方向发展,以满足各个领域多种应用场合的需要。