旋轉編碼器在位置控制中的應用設計

摘 要：以提高錕壓成型機切料長度的精度為改造目標。文章首先簡介旋轉編碼器的工作原理和特點，然后闡述以PLC、旋轉編碼器和變頻器構成的位置控制系統，并詳細描述設計過程的位置計算、遇到的問題及改造的成效。

關鍵詞：旋轉編碼器；PLC；變頻器；成型機；位置控制

前言

改造之前的老式成型機利用接近開關來獲得鋼板的位置信息，通過調節接近開關的位置來預計電機和鋼板的運動慣量，鋼板在設定值停止的位置控制精度低，而且起動和剎車時的機械沖擊大，經常出現故障。

針對上述問題，我在這次改造中使用新的位置控制方式，利用旋轉編碼器、PLC、變頻器等部件，目標是使位置控制的精度提高，使產品的長度誤差在正負1mm以內。在自動模式下加工全程由程序控制，以雙速運行使中間過程加快，同時可以實現成型機的牽引軟啟動和軟制動使整個錕壓過程平穩、無機械沖擊。

1 錕壓成型機的基本結構

1.1 錕壓成型機主要由機架、錕輪機傳動裝置、放卷及切斷裝置組成

被壓制材料通常是1.0mm～2.0mm厚鍍鋅帶狀鋼板。主機的傳動是通過鏈條實現的，先由牽引電機經減速機傳給主動壓錕，再由主動壓錕用鏈條帶動其他多道壓錕。上下各有壓錕。壓錕是由模具和轉動軸組成，壓錕帶動鋼帶前進。前進方向上各軸的模具是按逐漸加深的順序來安裝的，所以鋼帶在模具間走過就逐漸被壓制成設計要求的形狀。錕壓成型機的主機結構如圖1所示。

1.2 液壓切斷裝置

液壓切斷部分由剪切刀架體和模具組成。該裝置采用落料切斷，以油缸液壓推動切刀起落。切斷后型材產品直接落至托料架。

1.3 液壓站

主要用于向生產線剪切裝置提供壓力油，液壓站放置在剪切裝置旁的非操作側。

2 旋轉編碼器簡介

2.1 光電式旋轉編碼器的工作原理

光電式旋轉編碼器，是一種通過光電轉換將軸的角位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。把它裝在轉軸上可以被用作速度控制或位置控制系統的檢測元件。旋轉編碼器主要參數是分辨率，編碼器的光電碼盤在360度范圍有的通或暗刻線的數量稱為分辨率，或直接稱多少線。它通過編碼器每轉輸出的脈沖數反映出來。

2.2 增量式旋轉編碼器的特點

增量式編碼器轉軸旋轉時，有相應的脈沖輸出，其計數起點任意設定，可實現多圈無限累加和測量。本案是用旋轉編碼器來測鋼帶的相對位移，根據編碼器的特點，選用增量式旋轉編碼器。

3 旋轉編碼器在位置控制中的應用

3.1 位置控制系統的構成

位置控制方框圖如圖2所示，它主要由PLC、旋轉編碼器、變頻器、觸摸屏、變頻電動機組成。以下著重介紹前面三個主要組件。

3.1.1 PLC。PLC采用三菱的FX1S-20MR，它作為控制系統的核心單元，負責接收旋轉編碼器送來的脈沖信號，經過內部的高速計數器C235進行計數和運算，按程序設定輸出控制信號到變頻器及電磁閥等執行器件，使機器按程序進行相應動作。其中傳感器用旋轉編碼器對鋼帶的位移監測。

3.1.2 變頻器。（1）使用變頻器調速的原因：雖然伺服系統有精確、快速定位的優點，大功率的伺服驅動器配伺服電機價錢也太高，故嘗試使用變頻器。現在本設計用旋轉編碼器測位移后將信息送到PLC按程序雙速運行，避免高速停車，并通過精確的實時位置測算達到準確停車的效果。（2）在變頻器的控制端口DI1、DI2、DI3、COM輸入由PLC輸出正轉、反轉、低速的控制信號，驅動變頻電機來完成相應的任務指令。變頻器自帶的制動單元配合外置的制動電阻作能耗制動。（3）觸摸屏作為PLC的輸入和顯示數據裝置，使用觸摸屏的RS-422接口與PLC連接，在觸摸屏設定產品的數據并顯示當前工作狀態和數值。

3.2 位移測量與計算

本設計采用旋轉編碼器產生與位移成正比的脈沖，將其輸入PLC的X0高速計數器端口，構成位置反饋，累加脈沖數反映鋼帶位置，觸摸屏顯示經過程序換算的數值反映電機拖動機械實際行走的位移。程序中用單相單計數的高速計數器C235，32位增/減計數，機器默認為增計數。

位移L=SI （1）

式中：S-脈沖當量；I-累計脈沖數

注：旋轉編碼器安裝在位移測量輪的軸上

以測量輪轉一圈計算，位移等于測量輪的周長C，累計脈沖數I等于每轉一圈的脈沖數，即編碼器的分辨率，歐姆龍編碼器E6B2的分辨率：I=1000P/r，測量輪的直徑D=95.5mm，所以L=C=πD，又根據式（1）得：

S=L/I（2）

將實際數值代入式（2）：

每一圈的位移L=πd=3.1416×95.5=300.02（mm）

脈沖當量S=L/I=300.02/1000≈0.3（mm/P）

如圖3所示鋼帶位移計算的過程。設每個產品的加工周期所走過的總位移是L總，刀與測距光纖間的距離是L光纖距，產品上最末的孔到產品末端的距離L尾孔距，切刀的厚度L刀厚，長度校正L校。

L總=L光纖距+L尾孔距+L刀厚+L校

根據式（1）可得累計脈沖數I=L/S

將位移轉化成脈沖數，用比較指令把C235的累計數與設定值對應的脈沖數比較，取得機器動作所需精確的位置點。設定了低速長度L低就可以得：

主速度位移是L總-L低。

當鋼帶走完主速度位移，由PLC發出轉入低速信號，使變頻器的頻率下降至3.5Hz，鋼帶以低速前進。

圖3中各段間距以Dxxx表示，是PLC程序里的數據寄存器，例如D192（低速長度）可以在觸摸屏上直接修改設置數值。

3.3 實際需要解決的幾個技術問題

（1）高速計數器的溢出問題：PLC程序的32位增/減計數，計數范圍-214783648～+214783647，若超過范圍進行計數，高速計數器就會溢出。為解決這一問題，程序設置在產生計數溢出前C235復位，即每次切完產品后進行一次C235和長度數據寄存器復位，因為我們不需要整卷鋼帶的長度，只需分段計每節產品的長度。

（2）高速計數器輸入信號頻率限制問題：C235的輸入脈沖頻率有限制，其中X0的最高頻率為10kHz。鋼帶前進最高速度約V= 0.1m/s，脈沖當量是0.3mm/P，測量輪周長C=300.02mm。

轉一圈的時間T=C/V=0.3/0.1=3s，即轉一圈對應1000P所用時間3s。

實際使用的脈沖頻率的最大值fmax=1000/3≈333（Hz）

故實際使用的脈沖頻率遠小于X0的最高頻率10kHz上限值。

（3）傳動鏈條的間隙補償問題：由于這種位移測量屬于開環測量，因此必須解決傳動鏈條的間隙補償問題。為解決這一問題，可在程序中高速計數器的當前值累加一個間隙補償量，即觸摸屏顯示的長度校正，這補償量的大小根據多次調試來定。

4 改造的成效分析

改造后機器比之前有以下效果：（1）產品長度的合格率提高主

要靠測量的精度提高，這次改造所用的旋轉編碼器位移測量裝置每個脈沖的位移僅0.3mm。雖然這測量系統屬于開環系統，其精度取決于位移的給定精度，而用旋轉編碼器來測量位移正好能夠低成本地提高系統的給定精度。其次用程序控制變頻器進行雙速度切換，接近停車時以低速運行，鋼帶運行到預設的位移后，PLC的C235計數器計數脈沖累加達到主速度預設值，PLC發出換速指令送到變頻器，鋼帶降速，以低速行到停止位，這樣停車的位置更準確。停的位置準，落刀切出來的產品長度也就精確。計數脈沖累加達到刀與末端距離的預設值PLC指令低速結束變頻器瞬間制動，與此同時切斷裝置的電磁閥開關動作，使油缸推動切刀落下，完成一次加工。（2）操作便捷，機器的自動化程度提高。加工參數可在觸摸屏上輸入，長度、加工件數可以不斷跳變顯示。（3）用程序控制變頻器運行頻率，由變頻器驅動電機，可以使啟動和停止無機械沖擊，而中間過程的主速度可以加快，這是雙速運行的優勢。解決了加工速度和產品精度的矛盾。

參考文獻

[1]盧寧，張晉宏.一種用PLC和旋轉編碼器測量位移的方法[J].機械工程與自動化，2007（4）.