编码器原理及铸造工程应用分析

卢 铭

（广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005）

在铸造车间造型线分箱机、主机、下箱机、下芯机等重点设备中，大量使用德国福瑞巴（FRABA）公司的编码器，其编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器，具有高分辨率，高抗干扰，高稳定性等特点，在苛刻的工业现场中显示出其较为优异的性能，为广大工业厂商所选用和认可。

1 编码器概述

1.1 增量型编码器

如图1，每转一周产生一系列脉冲，脉冲的数量表示角位移的测量。其内有一圆盘——编码盘，通常为一光学玻璃，码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光的扇形区域，用来产生记数脉冲的增量码道。码盘刻线间距均等，对应每一个分辨率区间，可输出一个增量脉冲。光源发出平行且定向的光束照到码盘上，光敏元件接受被调制的光线，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90°相位差，如将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出1一个Z相脉冲以代表零位参考位。

图1 增量型编码器结构

扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇形区越多分辨率越高。输出的脉冲需要一个计数系统进行累计计数，一般还需要基准数据即零位基准才能完成角位移测量。

正转与反转的判别方法：由于A、B两相相差90°，可通过比较A相在前还是B相在前。同时通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

辨向原理：如图 2a）、2b）、2c）有 A 相、B 相和 Z相三条环带，A相和B相在码盘上互相错半个区域，在相位上相差1/4周期。利用B相的上升沿触发检测A相的状态，由此判断旋转方向。当码盘以某个方向匀速旋转时（如CW），A相超前B相首先导通；当码盘反方向（CCW）匀速旋转时，A相滞后于B相。

图2 辨向原理

图3 光电编码器

其优点是原理构造简单，机械平均寿命几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输，缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

1.2 绝对型编码器

其码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排。通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的0次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这称为n位绝对编码器。

其机械位置决定每个位置是唯一的，无需记忆，无需找参考点，不用一直计数，什么时候想知道其位置，什么时候读取其位置，不受停电、干扰的影响，抗干扰特性强，数据可靠性大，

1.3 光电型编码器

如图3所示，主要由安装在旋转轴上的编码盘、狭缝、圆盘两边的光源和光敏元件等组成。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经狭缝后，由光敏元件所接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。

2 编码器在造型线中的应用

2.1 技术参数

造型线自动化程度高，机械定位准确，机器运行过程受程序控制，编码器绝对定位的位置精度在1mm，德国福瑞巴（FRABA）公司编码器OCD光电系列（如图4）发挥了良好的作用。

应用场所：紧凑牢固适用于重型工业；DPV2功能：可实现循环通讯、非循环通讯以及从站之间的通信；外径尺寸：58mm；实心轴径：6mm，10mm；空心轴径：15mm；单圈分辨率：最大 65536（16位）；圈数：16384（14位）；输出编码：二进制；工作温度：-40℃～+85℃；防护等级：外壳IP65轴部IP64。

2.2 接线方式及程序实现

接线方式：FRABA编码器是数字量的，它连接到PLC的数字量模块，编码器出来的1颗线对应模块的1位。一共连接了23颗线，其中，2颗电源线，21颗信号线。21颗信号线中，用于每转的分辨率为13颗线；用于最大转数为8颗线。

程序实现：首先读取编码器的21位二进制值，并把它存放到32位DWORD型变量中假设用MD0，如图 5。

图4 绝对型编码器（PROFIBUS-DP接口）

图5 MD0变量数据位

PLC程序构建：要想在生产实际中使用此绝对型编码器，还需要在PLC硬件布局Hardwar configure中进行操作、编写，把编码器添加到现场总线PROFIBUS的DP MASTER SYSTEM中，如图6。

图6 编码器被添加到硬件布局

编码器地址定位：为了让PLC识别现场工作环境下的编码器，并能读取其中的数据，必须根据PLC中给出的地址对每一个编码器进行设置，如图7，如编码器地址为74，则在图7中：X10把旋钮拨到7位置，X1把旋钮拨到4位置。

2.3 编码器故障分析

编码器在连入PROFIBUS现场总线中，经过PROFIBUS OLM光纤链路模块后，把造型线1#、2#钻气孔机和铣口机组成串联形式，如图8。

图7 编码器地址设置

图8 编码器与PROFIBUS OLM模块连接

1#、2#钻孔机负责钻通上型砂模36个孔，平均每台机器钻18个孔，按每天800箱计算，一天内钻孔机必须钻通18×800=14400个孔，一年内就是14400×365=5256000个孔。高密度的工作节奏考验着机器耐用度和使用寿命，连接编码器的通讯线路和电源线往往成为电气故障的根源所在。

实践经验表明，通过观察编码器表面端盖的信号灯指示，如图9，能够迅速理清编码器工作情况，找到问题点，排除故障恢复生产流水线。

红灯灭、绿灯暗：表示编码器电源缺失；

红灯灭、绿灯亮：表示通讯数据交换模式中，处于正常工作状态；

红灯灭、绿灯闪烁：表示通讯数据交换前，正在处于启动编码器状态；

红灯亮、绿灯闪烁：表示参数或布局设置错误；

红灯亮、绿灯灭：表示编码器几乎很长时间（约40s）没有接受到交换数据；

红灯闪烁、绿灯亮：表示编码器准备运行，但没有被主机（PLC）所响应。

图9 编码器表面端盖信号灯

3 结 论

1）编码器将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式来表示电信号，经工业通讯（如PROFIBUS现场总线）后被PLC进行数据处理，到达闭李环控制，完成预设目标定位。

2）编码器的现场定位必选依托PLC地址预设，两者一致才能顺利读取数据。

3）编码器故障可以通过指示灯及说明书提示，迅速找到根源进行排除。

［1］蔡崧.传感器与PLC编程技术基础［M］.北京：电子工业出版社，2007.