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1、-第 1 页光电编码器原理与维修-第 2 页高精度的光电编码器的结构及原理2009 年 06 月 12 日 星期五 8:48本文主要介绍高精度的光电编码器的内部结构、工作原理与位置检测的方法。一、光电编码器的介绍：光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器，下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。（一）、绝对式光电编码器绝对式光电编码器如图所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。图 1 是二进制
2、的编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”-第 3 页来表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。如果编码盘有 4 个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的 23、22、21 和 20，4 位二进制可形成 16 个二进制数，因此就将圆盘划分 16 个扇区，每个扇区对应一个 4 位二进制数，如 0000、0001、1111。图 1-第 4 页按照码盘上形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。当码盘转到一定的角度时，扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出低电
3、平“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“1”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出，从而获得扇区的位置脚。（二）、增量式光电编码器 Increamental Optical-electrical Encoder增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到位置检测的目的。它是由光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和电子线路组成。增量式光电编码器的工作原理是是由旋转轴转动带动在径向有均匀窄缝的主光栅码盘旋转，在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘，在鉴向盘上有两条彼此错开 90o 相位的窄缝，并分别有光敏二
4、极管接收主光栅码盘透过来的信号。工作时，鉴向盘不动，主光栅码盘随转子旋转，光源经透镜平行射向主光栅码盘，通-第 5 页过主光栅码盘和鉴向盘后由光敏二极管接收相位差 90o 的近似正弦信号，再由逻辑电路形成转向信号和计数脉冲信号。为了获得绝对位置角，在增量式光电编码器有零位脉冲，即主光栅每旋转一周，输出一个零位脉冲，使位置角清零。利用增量式光电编码器可以检测电机的位置和速度。二、光电编码器的测量方法：光电编码器在电机控制中可以用来测量电机转子的磁场位置和机械位置以及转子的磁场和机械位置的变化速度与变化方向。下面就我就光电编码器在这几方面的应用方法做一下介绍。（一）、使用光电编码器来测量电机的转速
5、可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。具体的测速方法有 M 法、T法和 M/T 法 3 种。M 法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间 Tc 内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测-第 6 页速方法，如图 2 所示，例如光电编码器是 N 线的，则每旋转一周可以有 4N 个脉冲，因为两路脉冲的上升沿与下降沿正好使编码器信号 4 倍频。现在假设检测时间是 Tc，计数器的记录的脉冲数是 M1，则电机的每分钟的转速为在实际的测量中，时间 Tc 内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。如果要求测量的误差小于规定的范围，比如说是小于百分之一，那么 M
6、1 就应该大于 50。在一定的转速下要增大检测-第 7 页脉冲数 M1 以减小误差，可以增大检测时间 Tc 单考虑到实际的应用检测时间很短，例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制，一般应在 0.01 秒以下。由此可见，减小测量误差的方法是采用高线数的光电编码器。M 法测速适用于测量高转速，因为对于给定的光电编码器线数 N 机测量时间 Tc 条件下，转速越高，计数脉冲 M1 越大，误差也就越小。T 法也称之为测周法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法，如图 3 所示。例如时钟频率为 fclk,计数器记录的脉冲数为 M2，光电编码器是 N 线的，每线输出 4N 个脉冲，那么电机
7、的每分钟的转速为为了减小误差，希望尽可能记录较多的脉冲数，因此 T 法测速适用于低速运行的场合。但转速太低，一个编码器输出脉冲的时间太长，时钟脉冲数会超过计数器最大计数值而产生溢出;另外，时间太长也会影响控制的快速性。与 M 法测速一样，选用线数较多的光电编码器可以提高对电机转速测量的快速性与精度。M/T 法测速是将 M 法和 T 法两种方法结合在一起使用，在一定的时间范围内，同时对光电编码器输出的-第 8 页脉冲个数 M1 和 M2 进行计数，则电机每分钟的转速为实际工作时，在固定的 Tc 时间内对光电编码器的脉冲计数，在第一个光电编码器上升沿定时器开始定时，同时开始记录光电编码器和时钟脉冲
8、数，定时器定时 Tc 时间到，对光电编码器的脉冲停止计数，而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻，时钟脉冲才停止记录。采用 M/T 法既具有 M 法测速的高速优点，又具有 T 法测速的低速的优点，能够覆盖较广的转速范围，测量的精度也较高，在电机的控制中有着十分广泛的应用。（二）使用增量式光电编码器来判别电机转速方向的原理增量式光电编码器输出两路相位相差 90o 的脉冲信号 A 和 B，当电机正转时，脉冲信号 A 的相位超前脉冲信号 B 的相位 90o，此时逻辑电路处理后可形成高电平的方向信号 Dir。当电机反转时，脉冲信号 A 的相-第 9 页位滞后脉冲信号 B 的相位 90o，此时逻辑电路处理
9、后的方向信号 Dir 为低电平。因此根据超前与滞后的关系可以确定电机的转向。其转速辩相的原理如图 4 所示图 4 转向判别原理图（三）、增量式光电编码器的反馈脉冲的四倍频原理在使用增量式编码器时，通过计相位相差 90o 的两路正交脉冲信号 A 和 B 的上升沿与下降沿已达到将增-第 10 页量式编码器的反馈脉冲四倍频的目的。这样在不增加增量式光电编码器的线数的情况下，就可以获得更精度高的位置脉冲信息，以实现对电机位置的精确控制。其工作原理与脉冲的相位关系如图 5 所示图 5 脉冲四倍频相位关系图光电脉冲编码器的原理及维修光电脉冲编码器的原理及维修在数控机床中，光电脉冲编码器作为速度和位置检测的
10、元件，故障发生率较高，外在表现多种多样，我们在维修实践中，将有关光电脉冲编码器的故障给 予归纳和分类，使故障更加明确。1、简介-第 11 页首先对光电脉冲编码器作一下简介。光电脉冲编码器可分为增量式和绝对式。所谓增量式即编码器转过角度就发出脉冲，查不出轴处于什么位置，只能记录得电后的脉冲数。机床失电后，不能记忆轴的位置。绝对式则能够记忆轴转过的角度和空间位置。这依赖于一组或一个备用电池的支持，使机床失电后仍能保持记忆。当然编码器依据安装位置不同又可分为内装式和外装式，内装式和伺服电动机同轴安装，外装式则安装在传动链末端。编码器输出信号通常有两组相位差 90 度的方波信号用于辨向，一个零标志位（
11、又称一转信号），+5V 电源和接地端。绝对式还有备用电池连 接端。2、故障分类故障分类如下：（1）编码器本身故障:是指编码器本身元器件出现故障，导致其不能产生和输出正确的波形。这种情况下需更换编码器或维修其内部器件。-第 12 页（2）编码器连接电缆故障:这种故障出现的几率 最高，维修中经常遇到，应是优先考虑的因素。通常为编码器电缆断路、短路或接触不良，这时需更换电缆或接头。还应特别注意是否是由于电缆固定不紧，造成松动引起开焊或断路，这时需卡紧电缆。（3）编码器+5V 电源下降:是指+5V 电源过低，通常不能低于 4.75V，造成过低的原因是供电电源故障或电源传送电缆阻值偏大而引起损耗，这时需
12、检修电源或更换电缆。（4）绝对式编码器电池电压下降:这种故障通常有含义明确的报警，这时需更换电池，如果参考点位置记忆丢失，还须执行重回参考点操作。（5）编码器电缆屏蔽线未接或脱落:这会引入干扰信号，使波形不稳定，影响通信的准确性，必须保证屏蔽线可靠的焊接及接地。（6）编码器安装松动:这种故障会影响位置控制 精度，造成停止和移动中位置偏差量超差，甚至刚一开机即产生伺服系统过载报警，请特别注意。-第 13 页（7）光栅污染 这会使信号输出幅度下降，必须用脱脂棉沾无水酒精轻轻擦除油污。3、实例下面以我们在维修中遇到的两例故障予以说明。（1）实例一 故障现象：加工中心 DHK40 主轴定向时一直低速旋
13、转。故障分析和处理：这很显然是机床接收不到零标志信号，即一转信号。打开机床侧盖，拆下脉冲编码 器，发现脉冲编码器底部有一层粉末。完全拆开编码 器后发现圆光栅上的条纹已全部被磨光，当然发不出信号。更换新编码器后，一切正常。此时需修改主轴准停时停止位置偏移量参数，使定向位置与更换前相同。（2）实例二 故障现象：日本樱井专机开机后出现 123（绝对脉冲编码器）电压低故障。故障分析和处理：该机床已闲置 5 年，采用 FANUC 16 系统，电池应该失效。更换 4 节 1 号碱性干电池后，机床又显示请求回参考点故障。此时在手动状态将机床移动到参考点附近，再将参数 1815#5（APCX）-第 14 页#4（APZX）全部置 0，关断一次电源后重新启动，坐标值全部显示为 0。再将参数 1815#5（APCX）#4（APZX）全部置 1，关断一次电源，再重启，一切正常。这样便给机床重新建立了参考点。综上所述，脉冲编码器故障总体而言可分为编码 器本身故障和外围输入、输出故障，明确这两点许多问题就清晰了。