光電編碼器原理與維修

1、高精度的光電編碼器的結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)、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(jī)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)制的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用“0”1 /

2、 13來表示 ; 涂黑的部分是不透光的，用“ 1”來表示。 通常將 成 的圈稱 道，每個(gè) 道表示二 制數(shù)的一位，其中最外 的是最低位，最里 的是最高位。如果 有4 個(gè) 道， 由里向外的 道分 表示 二 制的 23、22、21 和 20，4 位二 制可形成16 個(gè)二 制數(shù)，因此就將 劃分16 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū) 一個(gè) 4 位二 制數(shù)，如0000、0001、 1111。圖 12 / 13按照碼盤上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器 ，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極管和驅(qū)動(dòng)電子線路。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中透光的碼道對應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“ 0”，遮光的碼道對應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電

3、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(jì)數(shù)器對脈沖進(jìn)行加 / 減計(jì)數(shù)，以此達(dá)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(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，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(cuò)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(shí)，鑒

4、向盤不動(dòng)，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通3 / 13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(zhuǎn)向信號和計(jì)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(zhuǎn)一周， 輸出一個(gè)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(jī)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(jī)控制中可以用來測量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場和機(jī)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(yīng)用方法做一下介紹。（一）、使用光電編碼器來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以利用定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器配合光電編碼器

5、的輸出脈沖信號來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)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(shí)間Tc 內(nèi)，對光電編碼器輸出的脈沖信號計(jì)數(shù)的測4 / 13速方法，如圖2 所示，例如光電編碼器是N線的，則每旋轉(zhuǎn)一周可以有4N個(gè)脈沖，因?yàn)閮陕访}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(shè)檢測時(shí)間是Tc，計(jì)數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是M1，則電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為在實(shí)際的測量中，時(shí)間Tc 內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個(gè)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(yīng)該大于50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測5 / 13脈沖數(shù) M

6、1以減小誤差， 可以增大檢測時(shí)間 Tc 單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測時(shí)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(yīng)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(zhuǎn)速，因?yàn)閷τ诮o定的光電編碼器線數(shù)N機(jī)測量時(shí)間Tc 條件下，轉(zhuǎn)速越高，計(jì)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(gè)脈沖周期內(nèi)對時(shí)鐘信號脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，如圖3 所示。例如時(shí)鐘頻率為fclk,計(jì)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(gè)脈沖，那么電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)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(yùn)行

7、的場合。但轉(zhuǎn)速太低，一個(gè)編碼器輸出脈沖的時(shí)間太長，時(shí)鐘脈沖數(shù)會(huì)超過計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值而產(chǎn)生溢出; 另外，時(shí)間太長也會(huì)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(jī)轉(zhuǎn)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(jié)合在一起使用，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，同時(shí)對光電編碼器輸出的6 / 13脈沖個(gè)數(shù) M1和 M2進(jìn)行計(jì)數(shù)，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為實(shí)際工作時(shí)，在固定的Tc 時(shí)間內(nèi)對光電編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，在第一個(gè)光電編碼器上升沿定時(shí)器開始定時(shí)，同時(shí)開始記錄光電編碼器和時(shí)鐘脈沖數(shù)，定時(shí)器定時(shí)Tc 時(shí)間到，對光電編碼器的脈沖停止計(jì)數(shù)，而在下一個(gè)光電編碼器的上升沿到來時(shí)刻，時(shí)鐘脈

8、沖才停止記錄。采用 M/T 法既具有 M法測速的高速優(yōu)點(diǎn)， 又具有 T 法測速的低速的優(yōu)點(diǎn)， 能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍， 測量的精度也較高， 在電機(jī)的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。（二）使用增量式光電編碼器來判別電機(jī)轉(zhuǎn)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(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號A 的相位超前脈沖信號 B 的相位 90o，此時(shí)邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號Dir 。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號A 的相7 / 13位滯后脈沖信號B 的相位 90o，此時(shí)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(guān)系可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。其轉(zhuǎn)速辯相的原理如圖4 所示圖

9、4 轉(zhuǎn)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(shí)， 通過計(jì)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(dá)到將增8 / 13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(shí)現(xiàn)對電機(jī)位置的精確控制。其工作原理與脈沖的相位關(guān)系如圖5 所示圖 5 脈沖四倍頻相位關(guān)系圖光電脈沖編碼器的原理及維修在數(shù)控機(jī)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(shí)踐中，將有關(guān)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9 / 1

10、3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(zhuǎn)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(jī)床失電后，不能記憶軸的位置。絕對式則能夠記憶軸轉(zhuǎn)過的角度和空間位置。這依賴于一組或一個(gè)備用電池的支持，使機(jī)床失電后仍能保持記憶。當(dāng)然編碼器依據(jù)安裝位置不同又可分為內(nèi)裝式和外裝式，內(nèi)裝式和伺服電動(dòng)機(jī)同軸安裝，外裝式則安裝在傳動(dòng)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(gè)零標(biāo)志位（又稱一轉(zhuǎn)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

11、編碼器本身元器件出現(xiàn)故障，導(dǎo)致其不能產(chǎn)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(nèi)部器件。10 / 13（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(jīng)常遇到，應(yīng)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(shí)需更換電纜或接頭。還應(yīng)特別注意是否是由于電纜固定不緊，造成松動(dòng)引起開焊或斷路，這時(shí)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(shí)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(bào)警，這時(shí)需更

12、換電池，如果參考點(diǎn)位置記憶丟失，還須執(zhí)行重回參考點(diǎn)操作。（ 5 ）編碼器電纜屏蔽線未接或脫落 : 這會(huì)引入干擾信號，使波形不穩(wěn)定，影響通信的準(zhǔn)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(dòng) : 這種故障會(huì)影響位置控制 精度，造成停止和移動(dòng)中位置偏差量超差，甚至剛一開機(jī)即產(chǎn)生伺服系統(tǒng)過載報(bào)警，請?zhí)貏e注意。11 / 13（7 ）光柵污染這會(huì)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(shí)例下面以我們在維修中遇到的兩例故障予以說明。（1 ）實(shí)例一 故障現(xiàn)象：加工中心 DHK40 主軸定向時(shí)一直低速旋轉(zhuǎn)。故障分析和處理：這很顯然是機(jī)床接收不到零標(biāo)志信號，即一轉(zhuǎn)信號。打開機(jī)床側(cè)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(dāng)然發(fā)不出信號。更換新編碼器后，一切正常。此時(shí)需修改主軸準(zhǔn)停時(shí)停止位置偏移量參數(shù)，使定向位置與更換前相同。（2 ）實(shí)例二故障現(xiàn)象：日本櫻井專機(jī)開機(jī)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(jī)床已閑置5 年，采用 FANUC 16系統(tǒng)，電池應(yīng)該失效。 更換 4 節(jié) 1 號堿性干電池后，機(jī)床又顯示請求回參考點(diǎn)故障。此時(shí)在手動(dòng)狀