光电编码器在工业自动化系统中的应用与研究

(整期优先)网络出版时间:2022-07-29
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光电编码器在工业自动化系统中的应用与研究

陈甲波

宜科(天津)电子有限公司   天津市   300400

摘要:光电旋转编码器作为在工业自动化设备控制的重要部件,利用其轴与运动部件同步运行时发出的反馈脉冲信号,来检测运行部件的位移量或速度,达到控制目的。重车调车机正是利用这点,并结合高速计数器模块(国电智深公司ECI卡件),来专门采集光电编码器(E6B2-CWZ6C)的数据。从而实现重车调车机的定位控制。

关键词:工业自动化;增量式光电编码器;高速计数ECI卡件

编码器是将被测机械量(如角度、长度等)转化为计算机可用的数字量的重要工具。在机电及自动化系统中,编码器在自动控制及自动测量等领域得到了广泛的应用,其具有机构紧凑、重量轻、安装方便、易维护等特点,而且精度高、反应快、工作可靠。

1重车调车机及行走方式控制

某公司重车调车机采用齿轮齿条传动,驱动装置为6台75KW液压制动电机加减速机的结构形式。重车调车机共装有6套行走轮装置,采用6台变频器分别控制6套行走轮,驱动单元是由变频电机、摩擦限矩安全联轴器、液压制动器、立式行星轮减速机组成;行走方式为齿轮与地面齿条啮合产生力矩。其中单独一组传动轴以及传动小齿轮利用弹性连接方式控制光电编码器,通过编码器的旋转来控制重车调车机的精确位移,反馈至EDPF-NT分散控制系统,进而控制整个翻车机系统的运转。主要参数:

①传动形式:齿条传动②牵引吨位:10000t③工作速度:0.12m/s~1.2m/s④走行轨距(mm):1600⑤驱动功率:6x75kw⑥摘钩方式:液压摘钩⑦调速方式:变频调速供电方式:挂缆滑车/拖链

2光电旋转编码器

光电旋转编码器是一种旋转式位置传感器,在现代自动控制系统中广泛应用于角位移或角速率的测量,它的转轴通过齿轮、对轮、同步带等多种连接方式与被装置的转轴相连,随被测轴一起转动。它能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲,同时增量式光电编码器具有结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点,特别是在高分辨率和大位移测量的时候,增量式光电编码器更具优越性;而绝对型旋转光电编码器的测量位置绝对惟一、抗干扰、无需掉电记忆的特点,在角度、长度测量和定位控制比增量式光电编码器也具有一定的优势。但是对于重车调车机定位控制来说,主要是通过旋转编码器与主电机齿轮轴一同旋转来反馈脉冲信号到高速计数模块计数脉冲,经由DCS交换数据存储数据计算数据与设定位置数据进行比较来控制重车调车机的定位的。所以选用增量式编码器结合高速计数模块作重车调车机的定位控制已经足够了。

不过要注意的是:在安装增量式光电旋转编码器时要安全牢固,不可有抖动。不带电时编码器不能有任何的旋转位移,突然送电处于工作状态时,编码器输出的脉冲也不能有干扰,这样会丢脉冲,高速计数模块所计数的脉冲量就会偏移,而且这种偏移的量是无从知道的,只有错误的计数结果(即所设定的停止位置与实际停止位置不同)出现后才能知道。当然,我们在使用增量式光电编码器作为重车调车机的定位控制之前,必须慎重进行编码器选型。

3增量式光电编码器的结构和工作原理

3.1增量式光电编码器的结构

角位移量:转轴旋转的码盘给出的脉冲数量,配合旋转方向,用计数器再对这些脉冲进行加减计数。

3.2增量式光电编码器的工作原理

主要构造为码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器。主码盘(光电盘)通过刻有节距相等的辐射状窄缝,形成等量分布的透明区和不透明区。鉴向盘与主码盘平行,上面刻有透明的a、b两组检测窄缝,彼此错开1/4节距,实现输出信号的相位差为90o。运行状态时主码盘与转轴一起转动,鉴向盘静止不动,光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时,光线被遮住,输出电压为最小;当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时,光线全部通过,输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期,一个近似正弦的电压既通过光电变换器输出,电压相位差为90o。

4增量式编码器的应用

4.1增量式编码器的脉冲计数及方向

选型的重要依据就是增量型旋转编码器使用每圈产生的脉冲数,脉冲数越多,分辨率也就越高。增量型编码器通常有三路输出信号分别为A、B和Z,一般采用TTL电平,A脉冲在前,B脉冲在后,A,B脉冲相差90o,每圈发出一个Z脉冲,可作为参考机械零位;A超前B为90o为正转,B超前A为90o为反转,这样便可以确定旋转方向。

4.2增量式光电编码器在重调机上的定位控制应用

增量式光电编码器与高速计数模块的电气连接不是所有的DCS控制系统的输入量模块都支持脉冲输入的功能,所以在配置DCS控制系统时,必须配置一个高速计数模块作为编码器输出脉冲的接受并计数存储等功能块。这样,采用国电智深的DCS控制系统中配置的ECI高速计数模块作为增量式光电编码器脉冲输出的功能块。通过现场的光电编码器反馈给高速计数模块的脉冲及方向,进行加减计数并存储在指定的数据区,经过DCS里设定设计好的程序进行计算和逻辑比较后,输出“控制位”来对重调机的定位控制的目的。

5编码器的发展趋势展望

随着现代技术的发展,编码器开始向小型化、智能化领域发展,并且测量更精确、适应性更强。首先,编码器体积越来越小。缩小编码器的发射元件、接受元件是为了编码器能在更小的位置发挥它的作用。目前同位数的编码器越来越小,许多新兴的编码方式的发明如矩阵式编码方式、伪随机码编码方式、游标式编码方式等正是为了适应自动化控制领域的智能化、集成化。这些新的编码方式缩小编码器体积的同时,还为提高编码器的智能化提供了基础。其次,编码器接口向智能化发展。差分电路、A/D转换器以及EPROM器件组成了编码器的接口电路,编码器的接口电路将正弦信号转换成参考脉冲信号、方波信号等,再传输给控制系统。接口电路的模块智能化,可以有效提高编码器的可靠性和独立性,有效防止数据传输误差。最后,编码器测量精度提高。编码器的精度通常由机械部分精度、码盘划分精度和信号处理电路综合保证,提高编码器精度需要采用先进的工艺来提高光电元件、码盘以及电路的精度。

近年来国外研制出了基于图像识别技术的编码器。这是一种全新的绝对式光电编码器,其以图像处理技术为基础,以往的基于莫尔条纹计数的计量原理被打破,位置信息通过采用计算图像质心移动量的方式来获得,最高可达27位分辨率。其目前已成功应用于精密制导传感器、扫描反射镜转台、干涉仪的扫描转台和六自由度平台等项目中。除此以外,编码器的发展还向使用网络化的信号传输技术、可编程编码器技术、电磁兼容技术等方向迅速发展。编码器是一种集光、电、机械技术为一体、具有广泛用途的传感器,随着关键技术的突破和科学的迅猛发展,编码器技术必将越来越完善,产品应用也越来越广泛。

结语:

总之,利用上述技术,实现了DCS和光电编码的完美对接。利用数字段计数来控制重车调车的位移与位置,不仅实现了正反两个方向的增减微调,更能够自动核对数码和位置,然后对其进行比较。完美解决了光电编码器在位置控制系统中的难题,使得重车调车机系统的自动控制方式得到很大的提升,降低了设备的故障率,为企业创造出更多的经济利益。

参考文献:

[1]刘涛.编码器的应用现状分析与展望[J].科技创新与应用,2014(23):75.

[2]曹颖超,王根义.编码器设计与应用的优化[J].电子设计工程,2014(22):154-156.