成為電梯高手之旋轉編碼器圖解及故障解決

旋轉編碼器
旋轉編碼器是由光柵盤（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長方形孔。由於光柵盤與電機同軸，電機旋轉時，光柵盤與電機同速旋轉，發光二極體垂直照射光柵盤，把光柵盤圖像投射到由光敏元件構成的光電檢測裝置（接收器）上，光柵盤轉動所產生的光變化經轉換後以相應的脈衝信號的變化輸出。
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，其熱穩定性好，精度高。金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由於金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩定性也比玻璃的差一個數量級。塑料碼盤成本低廉，但精度、熱穩定性、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絕對坐標系上的位置，而增量式編碼器可以輸出編碼器從預定義的起始位置發生的增量變化。增量式編碼器需要使用額外的電子設備（通常是PLC、計數器或變頻器）以進行脈衝計數，並將脈衝數據轉換為速度或運動數據，而絕對式編碼器可產生能夠識別絕對位置的數位訊號。綜上所述，增量式編碼器通常更適用於低性能的簡單應用，而絕對式編碼器則是更為複雜的關鍵應用的最佳選擇--這些應用具有更高的速度和位置控制要求。輸出類型取決於具體應用。

一：增量式旋轉編碼器工作原理
增量式旋轉編碼器通過兩個光敏接收管來轉化角度碼盤的時序和相位關係，得到角度碼盤角度位移量的增加（正方向）或減少（負方向）。
增量式旋轉編碼器的工作原理如下圖所示。

圖中A、B兩點的間距為S2，分別對應兩個光敏接收管，角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。
當角度碼盤勻速轉動時，可知輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實際圖的S0：S1：S2比值相同，同理，當角度碼盤變速轉動時，輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實際圖的S0：S1：S2比值仍相同。
通過輸出波形圖可知每個運動周期的時序為：

我們把當前的A、B輸出值保存起來，與下一個到來的A、B輸出值做比較，就可以得出角度碼盤轉動的方向，
如果光柵格S0等於S1時，也就是S0和S1弧度夾角相同，且S2等於S0的1/2，那麼可得到此次角度碼盤運動位移角度為S0弧度夾角的1/2，再除以所用的時間，就得到此次角度碼盤運動的角速度。
S0等於S1時，且S2等於S0的1/2時，1/4個運動周期就可以得到運動方向位和位移角度，如果S0不等於S1，S2不等於S0的1/2，那麼要1個運動周期才可以得到運動方向位和位移角度了。
我們常用的滑鼠的滾輪也是這個原理。
實際使用的增量式編碼器輸出三組方波脈衝A、B和Z（有的叫C相）相。A、B兩組脈衝相位差90º，可以判斷出旋轉方向和旋轉速度。而Z相脈衝又叫做零位脈衝（有時也叫索引脈衝），為每轉一周輸出一個脈衝，Z相脈衝代表零位參考位，通過零位脈衝，可獲得編碼器的零位參考位，專門用於基準點定位，如下圖所示。

增量式編碼器轉軸旋轉時，有相應的脈衝輸出，其計數起點可以任意設定，可實現多圈無限累加和測量。編碼器軸轉動一圈會輸出固定的脈衝數，脈衝數由編碼器碼盤上面的光柵的線數所決定，編碼器以每旋轉360度提供多少通或暗的刻線稱為解析度，也稱解析分度、或稱作多少線，一般在每轉5~10000線，當需要提高分辯率時，可利用 90 度相位差的 A、B 兩路信號進行倍頻或者更換高分辯率編碼器。
增量型編碼器精度取決於機械和電氣的因素，這些因素有：光柵分度誤差、光碟偏心、軸承偏心、電子讀數裝置引入的誤差以及光學部分的不精確性，誤差存在於任何編碼器中。
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。並且都可以用差分驅動方式，含有對稱的A+/A-、B+/B-、Z+/Z-三相信號，由於帶有對稱負信號的連接，電流對於電纜貢獻的電磁場為0，信號穩定衰減最小，抗幹擾最佳，可傳輸較遠的距離，例如： 對於TTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達150米。對於HTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達300米。
用正弦或餘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：

羅克韋爾的MPL系列伺服電機編碼器輸出採用的是德國Sick STEGMANN的Hiperface協議，例如：AB MPL-B640F-MJ24AA伺服電機的編碼器是Sick的SRM50-HFA0-K01增量式編碼器，信號輸出採用正弦波形式（SIN+/SIN-、COS+/COS-），而Z相變為Hiper數據通道（DATA+/DATA-）

編碼器的脈衝信號一般連接計數器、PLC、計算機，PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關頻率有低有高。 
    單相聯接，用於單方向計數，單方向測速。 
    A、B兩相聯接，用於計數和測速、判斷正反向。
    A、B、Z三相聯接，用於帶參考位修正的位置測量。
　　　　
增量式編碼器的優點是構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗幹擾能力強，可靠性高，適合於長距離傳輸。其缺點是大角度有累積誤差，並且無法輸出軸的絕對位置信息，比如斷電後發生了人為轉動，再上電後就無法得到它的絕對位置信息，因為它不會跟蹤任何由編碼器輸出的增量變化，所以開機後要進行找零或參考位，必須進行返回初始位置操作。

二：絕對式旋轉編碼器工作原理

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進位編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。其解析度是由二進位的位數來決定的，也就是說精度取決於位數（n-1）。
與增量式編碼器不同，絕對式編碼器不會輸出脈衝，而是輸出數位訊號以指示編碼器位置，並以此位置作為絕對坐標系中的靜態參照點，因為由機械位置決定的每個位置是唯一的，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數，電源切除後位置信息也不會丟失，什麼時候需要知道位置就什麼時候去讀取它的位置，重新啟動後系統可立即恢復運動，無需返回初始位置。消除了累計誤差。
單圈絕對值編碼器：以轉動中測量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當轉動超過360度時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用於旋轉範圍360度以內的測量，稱為單圈絕對值編碼器。　　
如果要測量旋轉超過360度範圍，就要用到多圈絕對值編碼器　
    多圈絕對值編碼器：運用鐘錶齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎上再增加圈數的編碼，以擴大編碼器的測量範圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重複，而無需記憶。多圈編碼器另一個優點是由於測量範圍大，實際使用往往富裕較多， 這樣在安裝時不用費勁找零點， 將某一中間位置作為起始點就可以了，從而大大簡化了安裝調試的難度。

三：應用中問題分析及改進措施
（一）應用中問題分析
1．發射裝置或接受裝置因機械震動等原因而引起的移位或偏移，導致接收裝置不能可靠的接收到光信號，而不能產生電信號。例如；光電編碼器直接用螺栓固定在電機外殼上，光電編碼器的軸通過較硬的彈簧片和電機轉軸相連接，因電機所帶負載是衝擊性負載，會引起電機轉軸和外殼的振動。這樣的振動速度會損壞光電編碼器的內部功能，造成誤發脈衝，從而導致控制系統不穩定或誤動作。

2．光電檢測裝置安裝在生產現場，受生產現場環境因素影響。如安裝部位溫度高、溼度大，導致光電檢測裝置內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於靠近高溫物體而導致光電檢測裝置誤發出信號或損壞，而引發生產或人身事故。

3．生產現場的各種電磁幹擾源對光電檢測裝置產生的幹擾，導致光電檢測裝置輸出波形發生畸變失真，使系統誤動或引發生產事故。例如；光電檢測裝置安裝在生產設備本體，其信號經電纜傳輸至控制系統的距離一般在20m～100m，傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜，但由於電纜的導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，極易受到各種電磁幹擾的影響，因此引起波形失真，從而使反饋到調速系統的信號與實際值的偏差，而導致系統精度下降。

（二）改進措施
1．改變光電編碼器的安裝方式。在電機的基礎上製作一固定支架來獨立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動機軸中心必須處於同一水平高度，兩軸採用軟橡膠或尼龍軟管相連接，以減輕電動機衝擊負載對光電編碼器的機械衝擊。

2．合理選擇光電檢測裝置輸出信號傳輸介質，採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重要的技術特性，一是對電纜受到的電磁幹擾具有較強的防護能力，因為空間電磁場在線上產生的幹擾電流可以互相抵消。另一個技術特點是互絞後兩線間距很小，兩線對幹擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網的分布電容也基本相同，這對抑制共模幹擾效果更加明顯。

旋轉編碼器導致的電梯故障 
 

高手修理電梯．從來就是能夠根據故障的現象，分析成因，並能迅速地判定故障所產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和積累排除故障的經驗，更需要掌握確認故障的一些技巧。  
  
旋轉編碼器故障的確認 　 　 
    
實例1：一臺電梯，平層不準確在運行行程中有"騰一騰"的現象．在維修時費了很大勁走了許多彎路最終發現是因旋轉編碼：幾個光電感應孔被灰塵封堵而致清潔後故障消除． 　 　 
    
實例2：一臺電梯在進行空轎廂安全鉗一限速器聯動試驗後出現了異常現象，電梯選層起動後爬行約50mm，便停止．思來想去．既然電梯具有運行條件，也無明顯的其他異常現象那麼肯定是旋轉編碼器出了問題．最後查出原因果然是旋轉編碼器與微機的連接有虛接現象． 　 　 
   
實例3：1臺VVVF電梯在運行中經常突然停梯．然後自動平層後又可正常運行．經槍查該故障不是因為制動線路不良所引起。也不是安全迴路及門鎖迴路瞬間通斷所導致。而是因為旋轉編碼器嚴重磨損導致電梯在運行中產生信號突然中斷的現象所致．

實例4：1臺電梯檢修運行正常 快車運行時轎廂強烈地振蕩，電梯有規律地上下抖動特別是多層運行時這種現象尤為明顯．在檢查電梯主迴路印刷板及驅動單元之後 仍未找到真正原因．經詢問業主，得知是有人在機房清除雜物後，電梯開始出現上述現象．後對曳引機及控制櫃外圍著重進行檢查發現裝在電機尾部用於測速反饋的 PG接地銅皮扭曲變形使得電梯在運行中電機軸與Pc的軸套不同心．後重新加工1片連接銅片，更換後故障現象消除． 　  
   　
由旋轉編碼器導致的故障，在實際中不算是少數，檢查起來也相當費事，有時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旋轉編碼故障的方法，從驅動調節系統簡圖電梯行業網可以清楚地看出 正是因為旋轉編碼，才使得微機--變頻器--電機之間構成了一個速度閉環控制系統。固此如果轉編碼器出現了問題 反饋信號不正常必然會影響到電機的正常運行．假如此時我們索性將旋轉編碼器的反饋斷開--變成開環控制，電機如果還能夠現正常的快速運行狀態，那麼就可以 確定電梯的故障確實產生在旋轉編碼器上，否則應該在其他方面去尋拄故障．這是確認旋轉編碼器故障的理論和方法．當然，為了安全起見在斷開反饋運行時，電梯 不應到上下的兩個端站運行。 　　 

由電梯幫整理編輯自網際網路