編碼器在控制系統中的應用

鄧繼祥

（攀鋼工程公司修建分公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

隨著科技進步，控制系統的自動化程度越來越高，對檢測元件的精度要求也越來越高。編碼器作為檢測機械運動的一種傳感器，既可以檢測轉速，又可以檢測距離、位置、角位移和計數。編碼器作為“一體多能”的檢測元件，在傳動控制系統中已經廣泛使用。

1 編碼器的安裝

編碼器的安裝通常有直連式和聯軸器連接2 種方式。它們各自有優缺點，也與控制系統的要求有關。

1.1 直接安裝方式

直連式要配套使用，即在驅動器上有專門的安裝編碼器的輸出軸，該輸出軸的直徑略小于編碼器的軸承內徑。安裝時將編碼器的內圈與驅動器輸出軸組裝，緊固編碼器上的鎖緊裝置，使編碼器內圈與驅動器輸出軸在運行時同步轉動。編碼器外殼的附屬彈簧片直接安裝于驅動器外殼，如圖1 所示。

直連式安裝的優點是不需要找編碼器與驅動器的同心度，直接安裝緊固即可。外殼的固定也沒有位置和精度要求，安裝前自由旋轉的附屬金屬片固定在驅動器的外殼上即可。缺點是沒有電氣隔離，如果驅動器是電磁原理驅動（如電機），運行中有可能會受到電磁干擾，使檢測信號失真。

圖1 直接安裝在驅動器輸出軸上的編碼器

1.2 聯軸器連接安裝方式

聯軸器連接就是將編碼器與驅動器通過中間過渡后連接。這種編碼器有輸出軸和固定外殼的法蘭盤，需要將輸出軸與驅動器輸出軸通過中間環節連接起來，同時需要單獨的固定支架支撐編碼器的法蘭盤。中間連接的聯軸器通常為軟連接，主要是運行中的驅動器與編碼器同心度發生偏移時確保編碼器不受傷害，如圖2 所示。

圖2 聯軸器連接安裝方式

聯軸器連接方式必須找準驅動器輸出軸和編碼器連接軸的同心度，因此安裝要求高于直接連接方式。但它的電氣隔離效果良好，采集的信號基本不會受到來自驅動器的電磁干擾。

1.3 其他方式

在一些特別場所，還可以增加輔助機械安裝方式，如齒輪齒條、鏈條皮帶、摩擦轉輪、收繩機械等。

2 編碼器的信號采集

對于信號采集，可以根據編碼器信號輸出形式分為模擬量編碼器和數字量編碼器。為避免采集信號的多重轉換，在應用中可根據用途選擇編碼器的信號輸出模式。

2.1 模擬信號的采集

在控制系統中，從編碼器中采集的模擬信號通常與變頻器結合使用，用于檢測反饋信號，使系統形成閉環控制，達到系統運行平滑、穩定的目的。

在碼盤上均勻地刻制一定數量的光柵，光柵一側固定有光接收傳感器，另一側有固定光源，使用時碼盤隨電機軸同步轉動。放大、整形處理，再送入變頻器的閉環控制系統中參與控制，產生A、B 和Z 信號，A 和B 存在90°的相位差，用以產生正交脈沖信號，測定位置增量。Z 信號每轉一圈觸發一個窄脈沖用來做基準校驗。在變頻器的信號接收控制板上有專門的接線標志，與編碼器的引出線一一對應連接即可，如圖3 所示。

圖3 編碼器信號采集接線原理

2.2 數字信號的采集

數字量編碼器與PLC 配套使用時有專門的HSC 高速計數模塊。接線時將編碼器每一根線的定義區分開，常用的編碼器有2 根電源線，即DC 24 V 和COM 組成。信號采集線A、B 直接接在高速計數器的輸入模塊上，只要編制程序時將采集的輸入信號與輸入地址對應即可。編碼器直接連接PLC 時的模塊組態如圖4 所示。

圖4 編碼器直接連接西門子PLC 組態

3 編碼器信號在控制系統中的應用

3.1 編碼器與變頻器結合使用

通常從編碼器的光電檢測中獲得的信號電平較低，波形也不規則，不能直接用于控制、信號處理和遠距離傳輸。因此，采集到的信號送入變頻器中還有專門的控制板對信號進行放大、整形處理，再送入變頻器的閉環控制系統中參與控制，如圖5所示。

3.2 編碼器與PLC 結合使用

圖5 變頻器中編碼器信號接收控制板

編碼器采集的模擬信號，是驅動器帶動編碼器運轉，編碼器運轉速度的快慢反映到編碼器脈沖次數變化的頻次而采集的信號。采集數字信號也不是能夠直接參與控制的信號，而是采集脈沖個數經過轉換后才能夠送入控制程序中參與系統控制。常用的西門子PLC 中有以下2 種轉換方式。

（1）逐一轉換。將采集的編碼器信號通過數據轉換指令轉換成整數、長整數、浮點數等，再進行各種數學運算。一步一步轉換成需要的可以直接參與系統控制、顯示的信號。

（2）在程序中調用既定模塊。直接將采集的編碼器信號通過程序塊運行后，輸出可以參與程序控制的數字信號，如圖6所示。

4 編碼器與傳統檢測元件比較的優缺點

速度和位置、位移檢測元件，隨著科技進步和新產品的開發應用，經過了多次更新換代。早期使用的速度反饋信號采集通常是用測速發電機或串接霍爾元件，位置信號的采集通常用限位器（極限），雖然型號種類各異，其工作原理是一樣的。距離檢測則是檢測主回路的電壓或電流變化，經過幾重換算得出結果，誤差比較大。這些逐步被淘汰的檢測元件的功能較單一，即檢測限位器只能做位置檢測器件。檢測方法簡單，采集的信號基本上可以直接送入控制回路直接參與控制。而且這些元件的安裝、使用方法也相對簡單，對電氣專業從業人員要求不是很高。

編碼器利用光電原理，對驅動器產生的運動速度、位置和距離都可以檢測出來，并且精度也很高。但它不能夠單獨直接使用，需要與變頻器或PLC 配合使用，其安裝、調試和應用的要求比較高。對電氣專業從業人員要求也比較高，除了掌握編碼器本身的應用知識外，還需要掌握變頻器和PLC 的相關知識。

圖6 西門子PLC 中固定的數據轉換模塊程序