路的输出范围为2048~2948,当方向盘逆时针旋转时,计数电路的输出范围为2048~1148;计数电路的
数据输出D0~D11送至数据处理电路。
实际使用时,方向盘频繁地进行顺时针和逆时针转动,由于存在量化误差,工作较长一段时间后,方向
盘回中时计数电路输出可能不是2048,而是有几个字的偏差;为解决这一问题,我们增加了一个方向盘
回中检测电路,系统工作后,数据处理电路在模拟器处于非操作状态时,系统检测回中检测电路,若方
向盘处于回中状态,而计数电路的数据输出不是2048,可对计数电路进行复位,并重新设置初值。
<二)光电编码器在重力测量仪中的应用
采用旋转式光电编码器,把它的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连。
重力测量仪中补偿旋钮的角位移
量转化为某种电信号量;旋转式光电编码器分两种,绝对编码器和增量编码器。
增量编码器是以脉冲形式输出的传感器,其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高。
一般只需
要三条码道,这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义,而是产生计数脉冲。
它的码盘的外道
和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区<光栅),但是两道扇区相互错开半个区。
当码
盘转动时,它的输出信号是相位差为90°的A相和B相脉冲信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生
的脉冲信号<它作为码盘的基准位置,给计数系统提供一个初始的零位信号)。
从A,B两个输出信号的
相位关系<超前或滞后)可判断旋转的方向。
当码盘正转时,A道脉冲波形比B道超前π/2,而反转时,
A道脉冲比B道滞后π/2。
是一实际电路,用A道整形波的下沿触发单稳态产生的正脉冲与B道整形波相‘
与’,当码盘正转时只有正向口脉冲输出,反之,只有逆向口脉冲输出。
因此,增量编码器是根据输出
脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向和相对角位移量。
通常,若编码器有N个<码道)输出信号,其
相位差为π/N,可计数脉冲为2N倍光栅数,现在N=2。
电路的缺点是有时会产生误记脉冲造成误差,这
种情况出现在当某一道信号处于“高”或“低”电平状态,而另一道信号正处于“高”和“低”之间的
往返变化状态,此时码盘虽然未产生位移,但是会产生单方向的输出脉冲。
例如,码盘发生抖动或手动
对准位置时<下面可以看到,在重力仪测量时就会有这种情况)。
是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。
在这里,采用了有记忆功能的D型触发器和时
钟发生电路。
每一道有两个D触发器串接,这样,在时钟脉冲的间隔中,两个Q端<如对应B道的74LS175
的第2、7引脚)保持前两个时钟期的输入状态,若两者相同,则表示时钟间隔中无变化;否则,可以根
据两者关系判断出它的变化方向,从而产生‘正向’或‘反向’输出脉冲。
当某道由于振动在‘高’、
‘低’间往复变化时,将交替产生‘正向’和‘反向’脉冲,这在对两个计数器取代数和时就可消除它
们的影响<下面仪器的读数也将涉及这点)。
由此可见,时钟发生器的频率应大于振动频率的可能最大
值。
由图4还可看出,在原一个脉冲信号的周期内,得到了四个计数脉冲。
例如,原每圈脉冲数为1000的
编码器可产生4倍频的脉冲数是4000个,其分辨率为0.09°。
实际上,目前这类传感器产品都将光敏元
件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起,所以只要加上细分与计数电路就可以组成一
个角位移测量系统<74159是4-16译码器)。
三、应用中问题分析及改进措施
<一)应用中问题分析
光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场,在使用中暴露出许多缺陷,其有内在因素也有外在
因素,主要表现在以下几个方面:
1.发射装置或接受装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移,导致
接收装置不能可靠的接收到光信号,而不能产生电信号。
例如;光电编码器应用在轧钢调速系统中,因
光电编码器是直接用螺栓固定在电动机的外壳上,光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动机转轴相连
接,因电动机所带负载是冲击性负载,当轧机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动。
经测定;过钢时
光电编码器振动速度为2.6mm/s,这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能。
造成误发脉冲,从而导
致控制系统不稳定或误动作,导致事故发生。
2.因光电检测装置安装在生产现场,受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠的工作。
如安
装部位温度高、湿度大,导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。
例如在连铸机送引锭跟踪
系统,由于光电检测装置安装的位置靠近铸坯,环境温度高而导致光电检测装置误发出信号或损坏,而
引发生产或人身事故。
3.生产现场的各种电磁干扰源,对光电检测装置产生的干扰,导致光电检测装置输出波形发生畸变失真
,使系统误动或引发生产事故。
例如;光电检测装置安装在生产设备本体,其信号经电缆传输至控制系
统的距离一般在20m~100m,传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电缆,但由于电缆的导线电阻及线间电容
的影响再加上和其他电缆同在一起敷设,极易受到各种电磁干扰的影响,因此引起波形失真,从而使反
馈到调速系统的信号与实际值的偏差,而导致系统精度下降。
<二)改进措施
1.改变光电编码器的安装方式。
光电编码器不在安装在电动机外壳上,而是在电动机的基础上制作一固
定支架来独立安装光电编码器,光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度,两轴采用软橡胶
或尼龙软管相连接,以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲击。
采用此方式后经测振仪检测,其
振动速度降至1.2mm/s。
2.合理选择光电检测装置输出信号传输介质,采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。
双绞屏蔽电缆具有
两个重要的技术特性,一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力,因为空间电磁场在线上产生的
干扰电流可以互相抵消。
双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小,两线对干扰线路的距
离基本相等,两线对屏蔽网的分布电容也基本相同,这对抑制共模干扰效果更加明显。
3.利用PLC软件监控或干涉。
在连铸生产的送引锭过程要求光电检测装置产生有时序性的电信号,同时
,该信号与整个过程不同阶段相对应。
如图5。
<1)送引锭过程启动前,光电信号1为“1”。
<2)送引锭过程启动后,在A阶段,辊道启动,引锭杆上
送。
当引锭杆挡住光电装置发射出的红外光时,光电信号为“0”;当红外光透过引锭杆中部2个小圆孔
时,光电装置发出信号2和3,均为“1”。
<3)送引锭过程在B阶段,光电信号为“0”,辊道停下,引
锭杆暂停上送,扇形10段压下,启动拉矫机和“同步1”,引锭杆继续上送。
<4)送引锭过程在C阶段,
引锭杆上送,并不再挡住红外光,光电信号4为“1”,启动“同步2”,停下“同步1”,引锭杆继续上
送。
至此光电装置工作过程结束。
根据光检测电装置的工作过程,只要现场测定送引锭过程中各个光电
信号发生的时间,结合送引锭过程与光电信号的关系,利用PLC应用程序中的相关数据,编制符合要求的
PLC程序,将PLC程序输出信号输入至PLC的输入模块,替代原光电信号的输入信号。
其程序框图如图6所
示。
什么叫光电编码器
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,下面简单介绍下下绝对式光电编码器的的结构与工作原理做介绍。
绝对式光电编码器的结构与工作原理
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是二进制的编码盘,图中空白部分是透光的,用“0”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
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。
光电编码器原理
光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器,是目前应用最多的传感器。
一般的光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成。
在伺服系统中,由于光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转.经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,其原理如图所示。
通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外,为判断旋转方向,码盘还可提供相位相差90°的2个通道的光码输出,根据双通道光码的状态变化确定电机的转向。
根据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式3种。
编码器原理
光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器,光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,其原理示意图如图1所示;通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
1.1增量式编码器
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相;A、B两组脉冲相位差90海佣煞奖愕嘏卸铣鲂较颍鳽相为每转一个脉冲,用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单,机械平均寿命可在几万小时以上,抗干扰能力强,可靠性高,适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
1.2绝对式编码器
绝对编码器是直接输出数字量的传感器,在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道,每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成,相邻码道的扇区数目是双倍关系,码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数,在码盘的一侧是光源,另一侧对应每一码道有一光敏元件;当码盘处于不同位置时,各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号,形成二进制数。
这种编码器的特点是不要计数器,在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。
显然,码道越多,分辨率就越高,对于一个具有N位二进制分辨率的编码器,其码盘必须有N条码道。
目前国内已有16位的绝对编码器产品。
绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制<葛莱码)方式进行光电转换的。
绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形,绝对编码器可有若干编码,根据读出码盘上的编码,检测绝对位置。
编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。
它的特点是:
1.2.1可以直接读出角度坐标的绝对值;
1.2.2没有累积误差;
1.2.3电源切除后位置信息不会丢失。
但是分辨率是由二进制的位数来决定的,也就是说精度取决于位数,目前有10位、14位等多种。
1.3混合式绝对值编码器
混合式绝对值编码器,它输出两组信息:
一组信息用于检测磁极位置,带有绝对信息功能;另一组则完全同增量式编码器的输出信息。
光电编码器是一种角度<角速度)检测装置,它将输入给轴的角度量,利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量,具有体积小,精度高,工作可靠,接口数字化等优点。
它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。