编码器在控制系统中的应用

邓继祥

（攀钢工程公司修建分公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

随着科技进步，控制系统的自动化程度越来越高，对检测元件的精度要求也越来越高。编码器作为检测机械运动的一种传感器，既可以检测转速，又可以检测距离、位置、角位移和计数。编码器作为“一体多能”的检测元件，在传动控制系统中已经广泛使用。

1 编码器的安装

编码器的安装通常有直连式和联轴器连接2 种方式。它们各自有优缺点，也与控制系统的要求有关。

1.1 直接安装方式

直连式要配套使用，即在驱动器上有专门的安装编码器的输出轴，该输出轴的直径略小于编码器的轴承内径。安装时将编码器的内圈与驱动器输出轴组装，紧固编码器上的锁紧装置，使编码器内圈与驱动器输出轴在运行时同步转动。编码器外壳的附属弹簧片直接安装于驱动器外壳，如图1 所示。

直连式安装的优点是不需要找编码器与驱动器的同心度，直接安装紧固即可。外壳的固定也没有位置和精度要求，安装前自由旋转的附属金属片固定在驱动器的外壳上即可。缺点是没有电气隔离，如果驱动器是电磁原理驱动（如电机），运行中有可能会受到电磁干扰，使检测信号失真。

图1 直接安装在驱动器输出轴上的编码器

1.2 联轴器连接安装方式

联轴器连接就是将编码器与驱动器通过中间过渡后连接。这种编码器有输出轴和固定外壳的法兰盘，需要将输出轴与驱动器输出轴通过中间环节连接起来，同时需要单独的固定支架支撑编码器的法兰盘。中间连接的联轴器通常为软连接，主要是运行中的驱动器与编码器同心度发生偏移时确保编码器不受伤害，如图2 所示。

图2 联轴器连接安装方式

联轴器连接方式必须找准驱动器输出轴和编码器连接轴的同心度，因此安装要求高于直接连接方式。但它的电气隔离效果良好，采集的信号基本不会受到来自驱动器的电磁干扰。

1.3 其他方式

在一些特别场所，还可以增加辅助机械安装方式，如齿轮齿条、链条皮带、摩擦转轮、收绳机械等。

2 编码器的信号采集

对于信号采集，可以根据编码器信号输出形式分为模拟量编码器和数字量编码器。为避免采集信号的多重转换，在应用中可根据用途选择编码器的信号输出模式。

2.1 模拟信号的采集

在控制系统中，从编码器中采集的模拟信号通常与变频器结合使用，用于检测反馈信号，使系统形成闭环控制，达到系统运行平滑、稳定的目的。

在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，光栅一侧固定有光接收传感器，另一侧有固定光源，使用时码盘随电机轴同步转动。放大、整形处理，再送入变频器的闭环控制系统中参与控制，产生A、B 和Z 信号，A 和B 存在90°的相位差，用以产生正交脉冲信号，测定位置增量。Z 信号每转一圈触发一个窄脉冲用来做基准校验。在变频器的信号接收控制板上有专门的接线标志，与编码器的引出线一一对应连接即可，如图3 所示。

图3 编码器信号采集接线原理

2.2 数字信号的采集

数字量编码器与PLC 配套使用时有专门的HSC 高速计数模块。接线时将编码器每一根线的定义区分开，常用的编码器有2 根电源线，即DC 24 V 和COM 组成。信号采集线A、B 直接接在高速计数器的输入模块上，只要编制程序时将采集的输入信号与输入地址对应即可。编码器直接连接PLC 时的模块组态如图4 所示。

图4 编码器直接连接西门子PLC 组态

3 编码器信号在控制系统中的应用

3.1 编码器与变频器结合使用

通常从编码器的光电检测中获得的信号电平较低，波形也不规则，不能直接用于控制、信号处理和远距离传输。因此，采集到的信号送入变频器中还有专门的控制板对信号进行放大、整形处理，再送入变频器的闭环控制系统中参与控制，如图5所示。

3.2 编码器与PLC 结合使用

图5 变频器中编码器信号接收控制板

编码器采集的模拟信号，是驱动器带动编码器运转，编码器运转速度的快慢反映到编码器脉冲次数变化的频次而采集的信号。采集数字信号也不是能够直接参与控制的信号，而是采集脉冲个数经过转换后才能够送入控制程序中参与系统控制。常用的西门子PLC 中有以下2 种转换方式。

（1）逐一转换。将采集的编码器信号通过数据转换指令转换成整数、长整数、浮点数等，再进行各种数学运算。一步一步转换成需要的可以直接参与系统控制、显示的信号。

（2）在程序中调用既定模块。直接将采集的编码器信号通过程序块运行后，输出可以参与程序控制的数字信号，如图6所示。

4 编码器与传统检测元件比较的优缺点

速度和位置、位移检测元件，随着科技进步和新产品的开发应用，经过了多次更新换代。早期使用的速度反馈信号采集通常是用测速发电机或串接霍尔元件，位置信号的采集通常用限位器（极限），虽然型号种类各异，其工作原理是一样的。距离检测则是检测主回路的电压或电流变化，经过几重换算得出结果，误差比较大。这些逐步被淘汰的检测元件的功能较单一，即检测限位器只能做位置检测器件。检测方法简单，采集的信号基本上可以直接送入控制回路直接参与控制。而且这些元件的安装、使用方法也相对简单，对电气专业从业人员要求不是很高。

编码器利用光电原理，对驱动器产生的运动速度、位置和距离都可以检测出来，并且精度也很高。但它不能够单独直接使用，需要与变频器或PLC 配合使用，其安装、调试和应用的要求比较高。对电气专业从业人员要求也比较高，除了掌握编码器本身的应用知识外，还需要掌握变频器和PLC 的相关知识。

图6 西门子PLC 中固定的数据转换模块程序