一三五 鄧華升 - 同學(xué) 
旋轉(zhuǎn)編碼器
旋轉(zhuǎn)編碼器是由光柵盤（又叫分度碼盤）和光電檢測裝置（又叫接收器）組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光柵盤與電機(jī)同軸，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管垂直照射光柵盤，把光柵盤圖像投射到由光敏元件構(gòu)成的光電檢測裝置（接收器）上，光柵盤轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的光變化經(jīng)轉(zhuǎn)換后以相應(yīng)的脈沖信號的變化輸出。
編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料等。玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高。金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性也比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級。塑料碼盤成本低廉，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。
編碼器以信號原理來分，有增量式編碼器（SPC）和絕對式編碼器（APC），顧名思義，絕對式編碼器可以記錄編碼器在一個(gè)絕對坐標(biāo)系上的位置，而增量式編碼器可以輸出編碼器從預(yù)定義的起始位置發(fā)生的增量變化。增量式編碼器需要使用額外的電子設(shè)備（通常是PLC、計(jì)數(shù)器或變頻器）以進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，并將脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為速度或運(yùn)動數(shù)據(jù)，而絕對式編碼器可產(chǎn)生能夠識別絕對位置的數(shù)字信號。綜上所述，增量式編碼器通常更適用于低性能的簡單應(yīng)用，而絕對式編碼器則是更為復(fù)雜的關(guān)鍵應(yīng)用的最佳選擇--這些應(yīng)用具有更高的速度和位置控制要求。輸出類型取決于具體應(yīng)用。
一：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理
增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過兩個(gè)光敏接收管來轉(zhuǎn)化角度碼盤的時(shí)序和相位關(guān)系，得到角度碼盤角度位移量的增加（正方向）或減少（負(fù)方向）。
增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理如下圖所示。
圖中A、B兩點(diǎn)的間距為S2，分別對應(yīng)兩個(gè)光敏接收管，角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。
當(dāng)角度碼盤勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，可知輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)際圖的S0：S1：S2比值相同，同理，當(dāng)角度碼盤變速轉(zhuǎn)動時(shí)，輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)際圖的S0：S1：S2比值仍相同。
通過輸出波形圖可知每個(gè)運(yùn)動周期的時(shí)序?yàn)椋?/strong>
我們把當(dāng)前的A、B輸出值保存起來，與下一個(gè)到來的A、B輸出值做比較，就可以得出角度碼盤轉(zhuǎn)動的方向，
如果光柵格S0等于S1時(shí)，也就是S0和S1弧度夾角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度碼盤運(yùn)動位移角度為S0弧度夾角的1/2，再除以所用的時(shí)間，就得到此次角度碼盤運(yùn)動的角速度。
S0等于S1時(shí)，且S2等于S0的1/2時(shí)，1/4個(gè)運(yùn)動周期就可以得到運(yùn)動方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1個(gè)運(yùn)動周期才可以得到運(yùn)動方向位和位移角度了。
我們常用的鼠標(biāo)的滾輪也是這個(gè)原理。
實(shí)際使用的增量式編碼器輸出三組方波脈沖A、B和Z（有的叫C相）相。A、B兩組脈沖相位差90o，可以判斷出旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。而Z相脈沖又叫做零位脈沖（有時(shí)也叫索引脈沖），為每轉(zhuǎn)一周輸出一個(gè)脈沖，Z相脈沖代表零位參考位，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位，專門用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位，如下圖所示。
增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)的脈沖輸出，其計(jì)數(shù)起點(diǎn)可以任意設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)多圈無限累加和測量。編碼器軸轉(zhuǎn)動一圈會輸出固定的脈沖數(shù)，脈沖數(shù)由編碼器碼盤上面的光柵的線數(shù)所決定，編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少通或暗的刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或稱作多少線，一般在每轉(zhuǎn)5~10000線，當(dāng)需要提高分辯率時(shí)，可利用 90 度相位差的 A、B 兩路信號進(jìn)行倍頻或者更換高分辯率編碼器。
增量型編碼器精度取決于機(jī)械和電氣的因素，這些因素有：光柵分度誤差、光盤偏心、軸承偏心、電子讀數(shù)裝置引入的誤差以及光學(xué)部分的不精確性，誤差存在于任何編碼器中。
編碼器的信號輸出有正弦波（電流或電壓）、方波（TTL、HTL）等多種形式。并且都可以用差分驅(qū)動方式，含有對稱的A+/A-、B+/B-、Z+/Z-三相信號，由于帶有對稱負(fù)信號的連接，電流對于電纜貢獻(xiàn)的電磁場為0，信號穩(wěn)定衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離，例如： 對于TTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)150米。對于HTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)300米。
用正弦或余弦信號分的增量編碼器輸出信號如下圖所示：
用TTL 與 HTL 信號的增量編碼器輸出信號如下圖所示：
編碼器的脈沖信號一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。
單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測速。
A、B兩相聯(lián)接，用于計(jì)數(shù)和測速、判斷正反向。
A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。
增量式編碼器的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點(diǎn)是大角度有累積誤差，并且無法輸出軸的絕對位置信息，比如斷電后發(fā)生了人為轉(zhuǎn)動，再上電后就無法得到它的絕對位置信息，因?yàn)樗粫櫲魏斡删幋a器輸出的增量變化，所以開機(jī)后要進(jìn)行找零或參考位，必須進(jìn)行返回初始位置操作。
二：絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理
絕對編碼器光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，這樣，在編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。其分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)（n-1）。
與增量式編碼器不同，絕對式編碼器不會輸出脈沖，而是輸出數(shù)字信號以指示編碼器位置，并以此位置作為絕對坐標(biāo)系中的靜態(tài)參照點(diǎn)，因?yàn)橛蓹C(jī)械位置決定的每個(gè)位置是唯一的，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，電源切除后位置信息也不會丟失，什么時(shí)候需要知道位置就什么時(shí)候去讀取它的位置，重新啟動后系統(tǒng)可立即恢復(fù)運(yùn)動，無需返回初始位置。消除了累計(jì)誤差。
單圈絕對值編碼器：以轉(zhuǎn)動中測量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動超過360度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對值編碼器。
如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360度范圍，就要用到多圈絕對值編碼器
多圈絕對值編碼器：運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多， 這樣在安裝時(shí)不用費(fèi)勁找零點(diǎn)， 將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，從而大大簡化了安裝調(diào)試的難度。
三：應(yīng)用中問題分析及改進(jìn)措施
（一）應(yīng)用中問題分析
1．發(fā)射裝置或接受裝置因機(jī)械震動等原因而引起的移位或偏移，導(dǎo)致接收裝置不能可靠的接收到光信號，而不能產(chǎn)生電信號。例如；光電編碼器直接用螺栓固定在電機(jī)外殼上，光電編碼器的軸通過較硬的彈簧片和電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接，因電機(jī)所帶負(fù)載是沖擊性負(fù)載，會引起電機(jī)轉(zhuǎn)軸和外殼的振動。這樣的振動速度會損壞光電編碼器的內(nèi)部功能，造成誤發(fā)脈沖，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或誤動作。
2．光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，受生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境因素影響。如安裝部位溫度高、濕度大，導(dǎo)致光電檢測裝置內(nèi)部的電子元件特性改變或損壞。例如光電檢測裝置安裝的位置過于靠近高溫物體而導(dǎo)致光電檢測裝置誤發(fā)出信號或損壞，而引發(fā)生產(chǎn)或人身事故。
3．生產(chǎn)現(xiàn)場的各種電磁干擾源對光電檢測裝置產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致光電檢測裝置輸出波形發(fā)生畸變失真，使系統(tǒng)誤動或引發(fā)生產(chǎn)事故。例如；光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)設(shè)備本體，其信號經(jīng)電纜傳輸至控制系統(tǒng)的距離一般在20m～100m，傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜，但由于電纜的導(dǎo)線電阻及線間電容的影響再加上和其他電纜同在一起敷設(shè)，極易受到各種電磁干擾的影響，因此引起波形失真，從而使反饋到調(diào)速系統(tǒng)的信號與實(shí)際值的偏差，而導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。
（二）改進(jìn)措施
1．改變光電編碼器的安裝方式。在電機(jī)的基礎(chǔ)上制作一固定支架來獨(dú)立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動機(jī)軸中心必須處于同一水平高度，兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接，以減輕電動機(jī)沖擊負(fù)載對光電編碼器的機(jī)械沖擊。
2．合理選擇光電檢測裝置輸出信號傳輸介質(zhì)，采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個(gè)重要的技術(shù)特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強(qiáng)的防護(hù)能力，因?yàn)榭臻g電磁場在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消。另一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。
旋轉(zhuǎn)編碼器導(dǎo)致的電梯故障
高手修理電梯．從來就是能夠根據(jù)故障的現(xiàn)象，分析成因，并能迅速地判定故障所產(chǎn)生的真正原因或是確定故障所在的具體位置．因此修理電梯既需要不斷地總結(jié)和積累排除故障的經(jīng)驗(yàn)，更需要掌握確認(rèn)故障的一些技巧。
旋轉(zhuǎn)編碼器故障的確認(rèn)
實(shí)例1：一臺電梯，平層不準(zhǔn)確在運(yùn)行行程中有'騰一騰'的現(xiàn)象．在維修時(shí)費(fèi)了很大勁走了許多彎路最終發(fā)現(xiàn)是因旋轉(zhuǎn)編碼：幾個(gè)光電感應(yīng)孔被灰塵封堵而致清潔后故障消除．
實(shí)例2：一臺電梯在進(jìn)行空轎廂安全鉗一限速器聯(lián)動試驗(yàn)后出現(xiàn)了異常現(xiàn)象，電梯選層起動后爬行約50mm，便停止．思來想去．既然電梯具有運(yùn)行條件，也無明顯的其他異常現(xiàn)象那么肯定是旋轉(zhuǎn)編碼器出了問題．最后查出原因果然是旋轉(zhuǎn)編碼器與微機(jī)的連接有虛接現(xiàn)象．
實(shí)例3：1臺VVVF電梯在運(yùn)行中經(jīng)常突然停梯．然后自動平層后又可正常運(yùn)行．經(jīng)槍查該故障不是因?yàn)橹苿泳€路不良所引起。也不是安全回路及門鎖回路瞬間通斷所導(dǎo)致。而是因?yàn)樾D(zhuǎn)編碼器嚴(yán)重磨損導(dǎo)致電梯在運(yùn)行中產(chǎn)生信號突然中斷的現(xiàn)象所致．
實(shí)例4：1臺電梯檢修運(yùn)行正常 快車運(yùn)行時(shí)轎廂強(qiáng)烈地振蕩，電梯有規(guī)律地上下抖動特別是多層運(yùn)行時(shí)這種現(xiàn)象尤為明顯．在檢查電梯主回路印刷板及驅(qū)動單元之后 仍未找到真正原因．經(jīng)詢問業(yè)主，得知是有人在機(jī)房清除雜物后，電梯開始出現(xiàn)上述現(xiàn)象．后對曳引機(jī)及控制柜外圍著重進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)裝在電機(jī)尾部用于測速反饋的 PG接地銅皮扭曲變形使得電梯在運(yùn)行中電機(jī)軸與Pc的軸套不同心．后重新加工1片連接銅片，更換后故障現(xiàn)象消除．
由旋轉(zhuǎn)編碼器導(dǎo)致的故障，在實(shí)際中不算是少數(shù)，檢查起來也相當(dāng)費(fèi)事，有時(shí)雖已排查但還是不能讓人放心．故在此向大家介紹一招簡單的確認(rèn)旋轉(zhuǎn)編碼故障的方法，從驅(qū)動調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡圖電梯行業(yè)網(wǎng)可以清楚地看出 正是因?yàn)樾D(zhuǎn)編碼，才使得微機(jī)--變頻器--電機(jī)之間構(gòu)成了一個(gè)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。固此如果轉(zhuǎn)編碼器出現(xiàn)了問題 反饋信號不正常必然會影響到電機(jī)的正常運(yùn)行．假如此時(shí)我們索性將旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋斷開--變成開環(huán)控制，電機(jī)如果還能夠現(xiàn)正常的快速運(yùn)行狀態(tài)，那么就可以 確定電梯的故障確實(shí)產(chǎn)生在旋轉(zhuǎn)編碼器上，否則應(yīng)該在其他方面去尋拄故障．這是確認(rèn)旋轉(zhuǎn)編碼器故障的理論和方法．當(dāng)然，為了安全起見在斷開反饋運(yùn)行時(shí)，電梯 不應(yīng)到上下的兩個(gè)端站運(yùn)行。
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