成为电梯高手之旋转编码器图解及故障解决

奚宏

旋转编码器
旋转编码器是由光栅盘（又叫分度码盘）和光电检测装置（又叫接收器）组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光栅盘与电机同轴，电机旋转时，光栅盘与电机同速旋转，发光二极管垂直照射光栅盘，把光栅盘图像投射到由光敏元件构成的光电检测装置（接收器）上，光栅盘转动所产生的光变化经转换后以相应的脉冲信号的变化输出。
编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料等。玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高。金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性也比玻璃的差一个数量级。塑料码盘成本低廉，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。　
编码器以信号原理来分，有增量式编码器（SPC）和绝对式编码器（APC），顾名思义，绝对式编码器可以记录编码器在一个绝对坐标系上的位置，而增量式编码器可以输出编码器从预定义的起始位置发生的增量变化。增量式编码器需要使用额外的电子设备（通常是PLC、计数器或变频器）以进行脉冲计数，并将脉冲数据转换为速度或运动数据，而绝对式编码器可产生能够识别绝对位置的数字信号。综上所述，增量式编码器通常更适用于低性能的简单应用，而绝对式编码器则是更为复杂的关键应用的最佳选择--这些应用具有更高的速度和位置控制要求。输出类型取决于具体应用。

一：增量式旋转编码器工作原理
增量式旋转编码器通过两个光敏接收管来转化角度码盘的时序和相位关系，得到角度码盘角度位移量的增加（正方向）或减少（负方向）。
增量式旋转编码器的工作原理如下图所示。

图中A、B两点的间距为S2，分别对应两个光敏接收管，角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。
当角度码盘匀速转动时，可知输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值相同，同理，当角度码盘变速转动时，输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。
通过输出波形图可知每个运动周期的时序为：

我们把当前的A、B输出值保存起来，与下一个到来的A、B输出值做比较，就可以得出角度码盘转动的方向，
如果光栅格S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，再除以所用的时间，就得到此次角度码盘运动的角速度。
S0等于S1时，且S2等于S0的1/2时，1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度了。
我们常用的鼠标的滚轮也是这个原理。
实际使用的增量式编码器输出三组方波脉冲A、B和Z（有的叫C相）相。A、B两组脉冲相位差90º，可以判断出旋转方向和旋转速度。而Z相脉冲又叫做零位脉冲（有时也叫索引脉冲），为每转一周输出一个脉冲，Z相脉冲代表零位参考位，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位，专门用于基准点定位，如下图所示。

增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点可以任意设定，可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转动一圈会输出固定的脉冲数，脉冲数由编码器码盘上面的光栅的线数所决定，编码器以每旋转360度提供多少通或暗的刻线称为分辨率，也称解析分度、或称作多少线，一般在每转5~10000线，当需要提高分辩率时，可利用 90 度相位差的 A、B 两路信号进行倍频或者更换高分辩率编码器。
增量型编码器精度取决于机械和电气的因素，这些因素有：光栅分度误差、光盘偏心、轴承偏心、电子读数装置引入的误差以及光学部分的不精确性，误差存在于任何编码器中。
编码器的信号输出有正弦波（电流或电压）、方波（TTL、HTL）等多种形式。并且都可以用差分驱动方式，含有对称的A+/A-、B+/B-、Z+/Z-三相信号，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，信号稳定衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离，例如： 对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。
用正弦或余弦信号分的增量编码器输出信号如下图所示：

用TTL 与 HTL 信号的增量编码器输出信号如下图所示：

罗克韦尔的MPL系列伺服电机编码器输出采用的是德国Sick STEGMANN的Hiperface协议，例如：AB MPL-B640F-MJ24AA伺服电机的编码器是Sick的SRM50-HFA0-K01增量式编码器，信号输出采用正弦波形式（SIN+/SIN-、COS+/COS-），而Z相变为Hiper数据通道（DATA+/DATA-）

编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。
    单相联接，用于单方向计数，单方向测速。
    A、B两相联接，用于计数和测速、判断正反向。
    A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。
　　　　
增量式编码器的优点是构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是大角度有累积误差，并且无法输出轴的绝对位置信息，比如断电后发生了人为转动，再上电后就无法得到它的绝对位置信息，因为它不会跟踪任何由编码器输出的增量变化，所以开机后要进行找零或参考位，必须进行返回初始位置操作。

二：绝对式旋转编码器工作原理

绝对编码器光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，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。其分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数（n-1）。
与增量式编码器不同，绝对式编码器不会输出脉冲，而是输出数字信号以指示编码器位置，并以此位置作为绝对坐标系中的静态参照点，因为由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，电源切除后位置信息也不会丢失，什么时候需要知道位置就什么时候去读取它的位置，重新启动后系统可立即恢复运动，无需返回初始位置。消除了累计误差。
单圈绝对值编码器：以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。　　
如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对值编码器　
    多圈绝对值编码器：运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多， 这样在安装时不用费劲找零点， 将某一中间位置作为起始点就可以了，从而大大简化了安装调试的难度。

三：应用中问题分析及改进措施
（一）应用中问题分析
1．发射装置或接受装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移，导致接收装置不能可靠的接收到光信号，而不能产生电信号。例如；光电编码器直接用螺栓固定在电机外壳上，光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电机转轴相连接，因电机所带负载是冲击性负载，会引起电机转轴和外壳的振动。这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能，造成误发脉冲，从而导致控制系统不稳定或误动作。

2．光电检测装置安装在生产现场，受生产现场环境因素影响。如安装部位温度高、湿度大，导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。例如光电检测装置安装的位置过于靠近高温物体而导致光电检测装置误发出信号或损坏，而引发生产或人身事故。

3．生产现场的各种电磁干扰源对光电检测装置产生的干扰，导致光电检测装置输出波形发生畸变失真，使系统误动或引发生产事故。例如；光电检测装置安装在生产设备本体，其信号经电缆传输至控制系统的距离一般在20m～100m，传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电缆，但由于电缆的导线电阻及线间电容的影响再加上和其他电缆同在一起敷设，极易受到各种电磁干扰的影响，因此引起波形失真，从而使反馈到调速系统的信号与实际值的偏差，而导致系统精度下降。

（二）改进措施
1．改变光电编码器的安装方式。在电机的基础上制作一固定支架来独立安装光电编码器，光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度，两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接，以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲击。

2．合理选择光电检测装置输出信号传输介质，采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性，一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力，因为空间电磁场在线上产生的干扰电流可以互相抵消。另一个技术特点是互绞后两线间距很小，两线对干扰线路的距离基本相等，两线对屏蔽网的分布电容也基本相同，这对抑制共模干扰效果更加明显。

旋转编码器导致的电梯故障  

高手修理电梯．从来就是能够根据故障的现象，分析成因，并能迅速地判定故障所产生的真正原因或是确定故障所在的具体位置．因此修理电梯既需要不断地总结和积累排除故障的经验，更需要掌握确认故障的一些技巧。   
   
旋转编码器故障的确认 　 　  
     
实例1：一台电梯，平层不准确在运行行程中有"腾一腾"的现象．在维修时费了很大劲走了许多弯路最终发现是因旋转编码：几个光电感应孔被灰尘封堵而致清洁后故障消除． 　 　  
     
实例2：一台电梯在进行空轿厢安全钳一限速器联动试验后出现了异常现象，电梯选层起动后爬行约50mm，便停止．思来想去．既然电梯具有运行条件，也无明显的其他异常现象那么肯定是旋转编码器出了问题．最后查出原因果然是旋转编码器与微机的连接有虚接现象． 　 　  
   
实例3：1台VVVF电梯在运行中经常突然停梯．然后自动平层后又可正常运行．经枪查该故障不是因为制动线路不良所引起。也不是安全回路及门锁回路瞬间通断所导致。而是因为旋转编码器严重磨损导致电梯在运行中产生信号突然中断的现象所致．

实例4：1台电梯检修运行正常 快车运行时轿厢强烈地振荡，电梯有规律地上下抖动特别是多层运行时这种现象尤为明显．在检查电梯主回路印刷板及驱动单元之后 仍未找到真正原因．经询问业主，得知是有人在机房清除杂物后，电梯开始出现上述现象．后对曳引机及控制柜外围着重进行检查发现装在电机尾部用于测速反馈的 PG接地铜皮扭曲变形使得电梯在运行中电机轴与Pc的轴套不同心．后重新加工1片连接铜片，更换后故障现象消除． 　   
   　
由旋转编码器导致的故障，在实际中不算是少数，检查起来也相当费事，有时虽已排查但还是不能让人放心．故在此向大家介绍一招简单的确认旋转编码故障的方法，从驱动调节系统简图电梯行业网可以清楚地看出 正是因为旋转编码，才使得微机--变频器--电机之间构成了一个速度闭环控制系统。固此如果转编码器出现了问题 反馈信号不正常必然会影响到电机的正常运行．假如此时我们索性将旋转编码器的反馈断开--变成开环控制，电机如果还能够现正常的快速运行状态，那么就可以 确定电梯的故障确实产生在旋转编码器上，否则应该在其他方面去寻拄故障．这是确认旋转编码器故障的理论和方法．当然，为了安全起见在断开反馈运行时，电梯 不应到上下的两个端站运行。