編碼器原理及鑄造工程應用分析

盧 銘

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005）

在鑄造車間造型線分箱機、主機、下箱機、下芯機等重點設備中，大量使用德國福瑞巴（FRABA）公司的編碼器，其編碼器是集光機電技術于一體的速度位移傳感器，具有高分辨率，高抗干擾，高穩定性等特點，在苛刻的工業現場中顯示出其較為優異的性能，為廣大工業廠商所選用和認可。

1 編碼器概述

1.1 增量型編碼器

如圖1，每轉一周產生一系列脈沖，脈沖的數量表示角位移的測量。其內有一圓盤——編碼盤，通常為一光學玻璃，碼盤最外圈的碼道上均布有相當數量的透光與不透光的扇形區域，用來產生記數脈沖的增量碼道。碼盤刻線間距均等，對應每一個分辨率區間，可輸出一個增量脈沖。光源發出平行且定向的光束照到碼盤上，光敏元件接受被調制的光線，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D，每個正弦波相差90°相位差，如將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩定信號；另每轉輸出1一個Z相脈沖以代表零位參考位。

圖1 增量型編碼器結構

扇形區的多少決定了編碼器的分辨率，扇形區越多分辨率越高。輸出的脈沖需要一個計數系統進行累計計數，一般還需要基準數據即零位基準才能完成角位移測量。

正轉與反轉的判別方法：由于A、B兩相相差90°，可通過比較A相在前還是B相在前。同時通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

辨向原理：如圖 2a）、2b）、2c）有 A 相、B 相和 Z相三條環帶，A相和B相在碼盤上互相錯半個區域，在相位上相差1/4周期。利用B相的上升沿觸發檢測A相的狀態，由此判斷旋轉方向。當碼盤以某個方向勻速旋轉時（如CW），A相超前B相首先導通；當碼盤反方向（CCW）勻速旋轉時，A相滯后于B相。

圖2 辨向原理

圖3 光電編碼器

其優點是原理構造簡單，機械平均壽命幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸，缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。

1.2 絕對型編碼器

其碼盤上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排。通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的0次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼（格雷碼），這稱為n位絕對編碼器。

其機械位置決定每個位置是唯一的，無需記憶，無需找參考點，不用一直計數，什么時候想知道其位置，什么時候讀取其位置，不受停電、干擾的影響，抗干擾特性強，數據可靠性大，

1.3 光電型編碼器

如圖3所示，主要由安裝在旋轉軸上的編碼盤、狹縫、圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成。當光源將光投射在碼盤上時，轉動碼盤，通過亮區的光線經狹縫后，由光敏元件所接收。光敏元件的排列與碼道一一對應，對應于亮區和暗區的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”。當碼盤旋至不同位置時，光敏元件輸出信號的組合反映出按一定規律編碼的數字量，代表了碼盤軸的角位移大小。

2 編碼器在造型線中的應用

2.1 技術參數

造型線自動化程度高，機械定位準確，機器運行過程受程序控制，編碼器絕對定位的位置精度在1mm，德國福瑞巴（FRABA）公司編碼器OCD光電系列（如圖4）發揮了良好的作用。

應用場所：緊湊牢固適用于重型工業；DPV2功能：可實現循環通訊、非循環通訊以及從站之間的通信；外徑尺寸：58mm；實心軸徑：6mm，10mm；空心軸徑：15mm；單圈分辨率：最大 65536（16位）；圈數：16384（14位）；輸出編碼：二進制；工作溫度：-40℃～+85℃；防護等級：外殼IP65軸部IP64。

2.2 接線方式及程序實現

接線方式：FRABA編碼器是數字量的，它連接到PLC的數字量模塊，編碼器出來的1顆線對應模塊的1位。一共連接了23顆線，其中，2顆電源線，21顆信號線。21顆信號線中，用于每轉的分辨率為13顆線；用于最大轉數為8顆線。

程序實現：首先讀取編碼器的21位二進制值，并把它存放到32位DWORD型變量中假設用MD0，如圖 5。

圖4 絕對型編碼器（PROFIBUS-DP接口）

圖5 MD0變量數據位

PLC程序構建：要想在生產實際中使用此絕對型編碼器，還需要在PLC硬件布局Hardwar configure中進行操作、編寫，把編碼器添加到現場總線PROFIBUS的DP MASTER SYSTEM中，如圖6。

圖6 編碼器被添加到硬件布局

編碼器地址定位：為了讓PLC識別現場工作環境下的編碼器，并能讀取其中的數據，必須根據PLC中給出的地址對每一個編碼器進行設置，如圖7，如編碼器地址為74，則在圖7中：X10把旋鈕撥到7位置，X1把旋鈕撥到4位置。

2.3 編碼器故障分析

編碼器在連入PROFIBUS現場總線中，經過PROFIBUS OLM光纖鏈路模塊后，把造型線1#、2#鉆氣孔機和銑口機組成串聯形式，如圖8。

圖7 編碼器地址設置

圖8 編碼器與PROFIBUS OLM模塊連接

1#、2#鉆孔機負責鉆通上型砂模36個孔，平均每臺機器鉆18個孔，按每天800箱計算，一天內鉆孔機必須鉆通18×800=14400個孔，一年內就是14400×365=5256000個孔。高密度的工作節奏考驗著機器耐用度和使用壽命，連接編碼器的通訊線路和電源線往往成為電氣故障的根源所在。

實踐經驗表明，通過觀察編碼器表面端蓋的信號燈指示，如圖9，能夠迅速理清編碼器工作情況，找到問題點，排除故障恢復生產流水線。

紅燈滅、綠燈暗：表示編碼器電源缺失；

紅燈滅、綠燈亮：表示通訊數據交換模式中，處于正常工作狀態；

紅燈滅、綠燈閃爍：表示通訊數據交換前，正在處于啟動編碼器狀態；

紅燈亮、綠燈閃爍：表示參數或布局設置錯誤；

紅燈亮、綠燈滅：表示編碼器幾乎很長時間（約40s）沒有接受到交換數據；

紅燈閃爍、綠燈亮：表示編碼器準備運行，但沒有被主機（PLC）所響應。

圖9 編碼器表面端蓋信號燈

3 結 論

1）編碼器將機械轉動的模擬量（位移）轉換成以數字代碼形式來表示電信號，經工業通訊（如PROFIBUS現場總線）后被PLC進行數據處理，到達閉李環控制，完成預設目標定位。

2）編碼器的現場定位必選依托PLC地址預設，兩者一致才能順利讀取數據。

3）編碼器故障可以通過指示燈及說明書提示，迅速找到根源進行排除。

［1］蔡崧.傳感器與PLC編程技術基礎［M］.北京：電子工業出版社，2007.