磁旋转编码器（精选7篇）
磁旋转编码器 篇1
与直流电机相比,永磁同步电机具有体积小、效率高、无需维护等优点,成为未来汽车用电动转向助力(EPS)电机的发展方向。对于EPS系统,电机输出转矩波动应该限制在3%~4%之内,由位置传感器精度引起的转矩波动应限制在1%以内[1],这就要求电机位置传感器具有足够的精度。AS5040磁旋转编码器能够满足高精度、高可靠性、低成本的设计要求。
将AS5040磁旋转编码器应用于永磁同步电机位置检测时,需要解决两个问题:一是磁旋转编码器安装位置初始定位,即确定编码器输出的位置信号与电机实际位置角的对应关系;二是获得电机轴开始转动时转子磁极的精确位置。对于永磁同步电机来说,为得到电机轴开始转动时转子磁极的位置,通常采用昂贵的绝对编码器或旋转变压器来达到这样的要求。本文采用廉价的AS5040磁旋转编码器同样能达到这一要求。
1 AS5040工作原理
AS5040检测转轴角位置时,需在转轴的端部安装一个纽扣形磁铁。AS5040与磁铁的相对位置如图1所示,其工作原理是通过芯片内部的
线性霍尔阵列检测出磁铁的磁场强度分布,从中分离出角度信息[2]。
该磁旋转编码器具有增量角度输出和绝对角度输出功能。增量角度输出信号分为A,B两路,磁铁相对AS5040旋转一周,A,B通道各输出256个周期脉冲,两路信号相位相差1/2个脉冲,可以根据超前或滞后关系判断转动方向,通过4倍频可以获得10位的分辨率。AS5040将绝对角度定义为磁铁的磁极与霍尔阵列间的角度,磁铁每旋转一周,AS5040将输出512个绝对角度信号,通过SPI通讯可将其读出。在绝对角度为0或1023时,INDEX通道将输出一个零位脉冲,可以利用此信号重置测量值,消除累积误差。
本文采用TI公司的TMS320 LF2407A作为电机控制器,该DSP具有串行外设接口模块(SPI)以及正交编码器脉冲电路(QEP),能够处理AS5040绝对角度和增量角度信号。
2 AS5040安装位置初始定位
磁旋转编码器安装位置初始定位主要目的是获得在电机位置角为0时对应的编码器绝对角度,根据这一信息可以使得电机位置角与编码器的绝对角度一一对应。
图2示出了AS5040,磁铁磁极,电机转子磁极,以及电机定子A相轴线四者间的关系。定义转子磁极与定子A相轴线重合时电机位置角为0,且逆时针方向为正向。
图2中,α1为AS5040轴线与电机定子A相轴线的交角,AS5040安装到电机端盖上后,α1即被固定;α2为磁铁轴线与电机转子d轴(直轴)的交角,当磁铁安装到电机转子轴上后,α2即被固定;θ为电机定子A相轴线与电机转子d轴的交角,即电机位置角;Ax为AS5040轴线与磁铁轴线的交角,即AS5040绝对角度,可以通过其SSI接口输出,并由DSP的SPI读取。
可以看到,电机位置角可以表示为
θ=Ax-(α1+α2) (1)
由于Ax可以从AS5040读出,为了能求出电机位置角θ,还需要测出(α1+α2)的值。
为了测出(α1+α2),在电机位置角θ=0时,从AS5040读出此时的绝对角度,设为A0,根据式(1)得到:
α1+α2=A0 (2)
根据式(1)、式(2)电机位置角可以表示为
θ=Ax-A0 (3)
同样在电机刚开始旋转时的电机初始位置可由下式得到:
θ0=Ax1-(α1+α2)=Ax1-A0 (4)
式中:Ax1为电机刚开始旋转时从AS5040读出的绝对角度值。
从上面过程可以看到,一个必需的步骤是要在电机位置角θ=0的时刻,从AS5040读出A0。因为电机位置角θ与电机反电动势相位有关,考虑利用反电动势信号捕捉电机位置角θ=0的时刻。
图3所示的电路引出了电机反电动势信号。在图3中,R是外接电阻,LA,LB,LC是电机定子三相电感,RA,RB,RC是电机定子三相电阻。根据上面对电机位置的定义,若R值取得很大,则定子内阻压降以及电感上的感应电压可以被忽略,电机A相反电动势的表达式为[3]
eA=ωΨfsin(pθ) (5)
UA=eA (6)
式中:eA为电机A相反电动势;Ψf为转子磁通;p为电机转子极对数;θ为电机磁极与定子A相轴线间夹角,即电机位置角;ω=dθ/dt;UA的定义见图3。
从式(5)可以看出,通过检测A相反电动势正向过零点即可表明电机位置角θ是否等于0。
图4是检测A相反电动势正向过零点的示意图。为了获得信噪比较高的反电动势波形,需要利用另外一台电机拖动永磁同步电机以较高的速度作恒速旋转。
当A相反电动势正向过零点时,DSP发生捕获中断。在中断服务子程序中,通过SPI读入AS5040输出的绝对角度信号A0。尽管电机拖动速度很高,由于在反电动势过零点处仍会有毛刺存在,实际捕获过零点时,过零比较器仍会有误触发。在过零比较器的前级串入一个低通滤波器,可解决这一问题。由于电机空载恒速旋转,反电动势是频率正比于转速的正弦波,滤波器引起的延迟可以被精确地补偿。
转子磁极对数为p时,每机械周期A相反电动势将出现p个正向过零点,A0可取AS5040输出的绝对角度信号中最大者。
整个初始定位过程无需手工调整传感器与电机的相对位置,同时在安装时对传感器的安装位置角未作任何要求,从而加快了传感器的安装速度。
3 电机转子初始位置的确定
虽然AS5040能够输出绝对角度信号,但每转只能输出512个绝对角度信号;另外,需要通过串行通讯才能获取绝对角度信号。在汽车较为恶劣的电磁环境中,串行通讯降低了信号传输过程中的可靠性;同时,由于串行信号的传输延迟,在电机转速较高时,不能实时获取角度信号。根据AS5040可以同时输出增量角度和绝对角度的特点,只将绝对角度信号用于电机初始位置的确定,电机在运行过程中的位置角由增量角度信号决定,从而能够得到分辨率为10位的电机位置信号。
当电机控制器上电时,在DSP的初始化程序中启动SPI,从AS5040的SSI读取AS5040的绝对角度,记为AX1,根据式(4),电机初始位置角的计算如下:
undefined
从上面的过程可以看到,只需在电机刚开始转动时,通过SPI读入一次AS5040的绝对角度信号,利用这个信号即可获得电机初始位置角,测量误差为±0.35°。
4 电机位置角的测量
从电机开始转动到第一个INDEX信号出现之前,电机位置角根据增量信号的脉冲个数以θ0为起始位置作增减。当AS5040的INDEX信号出现时,对应的AS5040绝对角度为0或者1023。为了消除累积误差,需要利用INDEX信号重置电机位置角,根据式(3),重置后的电机位置角为(1023-A0)。
这一过程可由DSP的正交编码器脉冲电路(QEP)完成。QEP模块能够对A/B增量脉冲信号4倍频,同时能够根据两路信号的相位关系提取转向信息,简化了外围电路。
5 试验结果
试验电机转子磁极为3对极,电机反电动势为正弦波。实验过程中,电机由另一直流电机拖动,转速为630r/min。试验结果如图5所示,电机位置角通过D/A输出,反电动势信号根据图3取出。可以看到,反电动势的过零点与实测电机位置角的零点符合得很好。
6 结论
目前已将AS5040应用在汽车电动助力转向系统的永磁同步电机上。运行试验表明本文的方案能够实现精确的转子初始位置检测,同时能够获得较高分辨率的转子位置信号。
参考文献
[1] Liu Guang,Kurnia A,DeLarminat R,et al.Position SensorError Analysis for EPS Motor Drive[J].Proceeding of Elec-tric Machines and Drives Conference,IEMDC.IEEE Interna-tional,2003,1(6):249-254
[2] AS5040 Datasheet,Austria Micro Systems.2005
[3]谢宝昌,任永德.电机的DSP控制技术及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005
轧机机组旋转编码器故障处理 篇2
(1) 外界干扰。
大型电机、电焊机频繁启动, 编码器信号线路和动力线同一管道, 编码器表面油污、灰尘, 工作环境潮湿、污浊等外界干扰易造成编码器波型不良, 信号传输错误, 计数不准。搬离、关闭、隔离干扰源。注意不要拆解编码器, 否则影响编码器防油和防滴性能。
(2) 使用不当。
编码器由精密器件构成, 安装时若受到不适当冲击, 如用锤子或钳子等工具用力敲击、摔打碰撞, 可损坏内部功能器件。另外编码器工作在非最佳安全电压下, 使用不合适连接器等也会造成损坏。牢固安装编码器, 编码器轴和机器连接应使用厂家配备、合适的柔性连接器。安装时不要给轴施加直接的冲击, 应缓缓套入, 不要硬压入。确认编码器工作电压为24V, 在控制柜中装设24V稳压电源, 确保编码器总是在最佳安全电压下工作。
(3) 振动及配线问题。
编码器发出误脉冲多是因为加在其上的振动。配线时应充分注意, 误配线可损坏内部回路。 (1) 制定严格的点检制度。 (2) 260机组使用的编码器共有6根输出信号线和2根电源线, 输出线彼此不能搭接, 在电源切断状态下进行配线。避免电源线与地线反接, 注意电源极性, 正、负极不能接错。 (3) 将编码器线与动力线分开敷设, 并保持一定距离。 (4) 延长电线时, 应在10m以下。电线分布电容使波形上升、下降时间较长, 有问题采用施密特回路等对波形进行整形。 (5) 为了避免感应噪声等, 要尽量用最短距离配线。 (6) 全部改用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。 (7) 给串行数据线接上120Ω终端电阻。
(4) 参数设置不合理。
基于磁编码器反馈的伺服系统设计 篇3
本文采用TMS320F28335这款DSP作为控制核心,采用进口步进电机作为驱动机构,磁编码器作为反馈传感器,设计了微波辐射计的伺服系统,该伺服系统可以驱动方位、俯仰二维转动,实现程序设定的转动要求。
1工作原理
系统的工作原理如图1所示。
系统由控制板、电机驱动器、步进电机、减速器、磁编码器、限位开关及天线转台组成;控制板作为控制核心,根据磁编码器返回的角度信息作相应计算,将转动的速度换算成控制量,控制电机驱动器按照设定的速度转动。限位开关作为保护措施,用在伺服故障时保护设备及人员的安全。
2硬件部分实现
2.1电机及驱动器设计
电机作为执行机构,是系统的关键部件,因而设计中必须选用高可靠性电机。该伺服系统使用直流供电,设计中选用百格拉进口的三相直流混合步进电机。
电机驱动器作为电机的驱动机构,是比较容易损坏的,设计中选用恒频脉宽调制细分式步进电机驱动器,型号为D921,该驱动器作为电机的配套驱动器,寿命长,工作稳定。
2.2编码器设计
设计中使用的磁编码器是上海精浦机电有限公司生产的12位多圈组合式编码器,该编码器采用直流24V供电,输出接口为RS485形式,传输数据可以配置成主动和被动两种方式,测量方式可以配置成角度测量、长度测量,测量圈数可以配置成0~4096圈。
按照使用要求,配置过程中,将其配置成角度测量,圈数设置为两圈,即角度测量范围为0~720°,数据传输方式采用被动式。
2.3限位开关设计
限位开关作为安全防护措施,设计中采用微动开关,该开关优点是体积小,方便安装在设备中,而且动作寿命长。当伺服系统处于失控状态,一旦碰触到限位开关,便触发开关动作,系统控制板便可以捕捉到电平变化,采取停止伺服动作措施,保护人员及伺服系统的安全。
2.4控制板设计
控制板以TMS320F28335作为控制核心,完成接收监控计算机发送的控制指令、读取当前的两维角度、控制两维电机转动以及读取限位开关状态等功能。控制板的工作原理如图2所示。
3软件部分实现
软件部分主要功能是根据监控计算机发送的控制指令,完成伺服转动控制;软件功能具体如下:
3.1与监控计算机通信
正确接受监控计算机发送的控制指令,同时将伺服角度值实时传送至监控计算机。
3.2控制电机驱动器
根据目标角度及转速要求,利用PI控制算法,计算出控制量发送至电机驱动器,完成电机动作。
3.3电机状态监控
通过判断限位开关判断伺服是否在正常范围内,如果电机转到极限位置,控制电机停止转动,保护设备及人员安全。
控制程序的工作流程如图3所示。
4结束语
本文介绍了利用磁编码器作为反馈传感器的闭环伺服系统,经过测试,该系统定位精度小于0.2°,满足设计需要;该伺服系统已应用在多款微波辐射计上,实际使用结果验证了该系统具有较高的可靠性。
摘要：介绍了一种高可靠性伺服系统,分析了磁编码器作为伺服系统的位置传感器,具有可靠性高、环境适应性强、性价比高等优点。设计了基于磁编码器作为位置反馈的步进电机伺服系统,该系统利用DSP作为控制器,以步进电机作为驱动机构,采用数字PI控制算法实现闭环控制。目前,该系统已应用在多款产品上,具有良好的控制精度和稳定性。
关键词：磁编码器,步进电机,DSP
参考文献
[1]吕德刚,李铁才,杨贵杰.高性能磁编码器设计[J].仪器仪表学报,2006,27(06):1347-1350.
[2]刘陵顺.高艳丽.张树团.TMS320F28335DSP原理及开发编程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.
磁旋转编码器 篇4
1 电梯旋转编码器的原理及分类
旋转编码器, 是将旋转的机械位移量转换为电气信号, 对该信号进行处理后检测位置、速度等的传感器。
编码器有两种形式:增量式编码器和绝对编码器。
电梯编码器一般分为增量型与绝对型, 它们最大的区别是:增量电梯编码器的脉冲计数位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的, 而绝对型电梯编码器的位置是由输出代码的读数确定的。在一圈里, 每个位置的输出代码的读数是唯一的;因此, 当电源断开时, 绝对型电梯编码器并不与实际的位置分离。如果电源再次接通, 那么位置读数仍是当前的, 有效的;不像增量电梯编码器那样, 必须去寻找零位标记。但在电梯系统由于受一些条件限制 (包括价格, 环境, 抗干扰性等) 大部分使用的是增量编码器。
2 旋转编码器引起的电梯故障及原因分析
在电梯控制系统里, 旋转编码器与微机、变频器、电机构成了一个速度闭环控制系统:连接在电动机轴上的旋转编码器在电梯运行的过程中采集电机轴旋转的速度信号, 并转化为脉冲信号通过信号电缆输入微机 (包括PLC或单片机) 控制器。微机控制器将反馈回来的速度信号进行转换运算同输出给电机的控制信号作比较并进行调整, 当信号不一致超过范围时电梯报故障。旋转编码器的故障有很多, 但总体可分为两大类, 一是编码器自身问题 (包括制造, 安装过程的缺陷及后期维保不规范) ;二是外界对其信号传输的干扰, 造成数据丢失或误码。
首先我们看第一类故障。
实例1:一台电梯, 平层不准确同时在运行行程中有"腾一腾"的振动现象, 后来发现是旋转编码几个光电感应孔被灰尘封堵而导致的故障。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大约50mm便停止。通过排查是旋转编码器与微机的信号线连接有虚接现象。
实例3:1台变频调速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回路原因所引起, 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过程中反馈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, 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, 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编码器的轴套不同心, 后重新加工1片连接铜片, 更换后故障现象消除。
我们知道电梯旋转编码器是一个精密的速度传感器, 它与变频器、微机控制器、电机构成的闭环调速系统。本文所研究的故障都属于传感器故障。通过上述的实例我们发现无论是编码器光电码盘有灰尘, 还是信号线虚接、码盘磨损、编码器轴套与电机轴不同心等, 都会造成编码器信号采集的丢失。而这些故障都会引起电梯的非正常运行。
电梯旋转编码器的第二类故障则是主要由于外界的电磁干扰造成的。而在电梯系统中, 旋转编码器所受的电磁干扰主要来自变频器的通断。
变频器干扰主要原因是由于整流器从三相电源的每一相中依次引入电流, 引入的电流在整流器换相过程中产生了畸变, 形成非正弦波电流。电流畸变意味着使电源电流波形中包含了谐波, 电流畸变的波形可以分解出一组非正弦波分量, 即平时所说的谐波分量。下图1是电梯变频器起动前后输入端的波形。
可以看出, 变频器本身的整流逆变器件所产生谐波, 谐波向下会影响终端使用设备, 向上会影响该段电网。变频器输入电流受谐波干扰较大, 而且变频负载越小, 电流受谐波干扰越大, 而编码器所接电源是由控制柜内部开关电源输入的, 开关电源的输入和变频器的输入来自同一端口。因此, 当变频器噪声沿输入回路传递, 会很容易干扰同一网络的编码器。变频一般受5次、7次谐波干扰最大, 对波形的影响也很明显, 就是波峰凹陷, 所以在变频器输出端装设电抗器后, 对波形的干扰会有所改善。同时变频器动力电缆和编码器通讯电缆要分开敷设, 距离拉大。这样就可降低耦合噪声。
变频器的噪声主要通过变频器本身及其输入、输出端的引线进行辐射, 沿着电源线进行传播。所以在电梯系统里, 需要将变频器的载波频率设置为最低 (2KHz) , 但不能低于这个数值, 如若低于会造成电机和变频器噪声增大。
变频器对电梯控制系统主要是电磁噪声和谐波的干扰。而旋转编码器之所以容易受到干扰的另外一个原因是由于其与变频器或控制器通过串行通讯的方式进行数据交换, 而且数据总线方式一般采用RS485总线, 但RS485总线的通讯状态易被干扰。
为了提高电梯串行通讯的可靠性, 一般通讯线路都会采用屏蔽电缆。但在实际应用过程中, 由于接地不当, 经常出现通信误码率高的现象, 据有关资料和实践证明, 对信号电缆屏蔽层接地点的选择应视具体情况而定, 最佳的选择应是信号源侧一点接地, 这样不仅可以抑制共模干扰, 也可以抑制静电感应干扰。电梯变频器调速是一种高精度快速响应的控制系统, 一般要安装速度传感器, 如旋转编码器来进行速度闭环控制。为了提高抗干扰能力, 速度传感器与变频器之间的信号线缆均采用屏蔽线, 尤其是永磁同步无齿轮曳引机的速度传感器信号线, 必须采用屏蔽线缆, 否则曳引机会出现失速或不能运转。因此, 一定要保证曳引机和变频器的可靠独立接地, 或者选用传感器外壳不与控制屏蔽层连接的传感器, 在变频器侧实施一点接地。电梯控制系统一般采用三相供电, 此时可以将接触器电源和提供给编码器的开关电源取自交流电源不同的相, 避免接触器产生的电磁干扰窜入5V开关电源的交流侧, 可以有效的提高系统的抗干扰能力。用双绞线作为接触器的馈电线, 由于两导线中的电流方向相反, 磁通可以相互抵消, 因此可以消弱电磁干扰, 提高系统的抗干扰能力。
由上可知, 旋转编码器作为闭环控制系统的速度反馈元件, 其反馈信号质量的好坏直接影响到电梯的加减速控制, 平层精度以及舒适感等众多功能。但编码器信号传输属于弱信号, 容易受到外界和内部的电磁干扰, 所以, 对编码器所受干扰源进行分析并采取相应措施抑制干扰, 从而提高电梯正常运行的可靠性。
3 结束语
通过对旋转编码器引起电梯故障原因的分析, 发现故障的原因较多而且较复杂, 所以对旋转编码器在安装过程中必须严格按照工艺要求安装, 同时维护保养也需要专业人员来负责;同时要作好抗干扰措施 (包括屏蔽层和传输电缆的有效接地) 。以此来提高电梯系统的可靠性, 并延长电梯部件的使用寿命。
摘要：电梯技术的飞速发展使得旋转编码器在电梯控制系统中得到广泛应用;同时其引起的电梯故障也逐渐增多。本文通过对旋转编码器引起电梯故障的原因进行分析, 并提出解决方案。从而降低旋转编码器发生故障的概率, 提高电梯控制系统安全运行的可靠性。
关键词：旋转编码器,故障,干扰
参考文献
[1]韦如湘.电梯变频器的电磁兼容性与电磁干扰[J].电梯工业, 2010 (7) :27-29.
磁旋转编码器 篇5
在电缆生产线上,通常需要检测电缆的走线速度,用来控制收线电机的转速和计算线缆的长度。成缆工艺参数的稳定, 直接关系到电线电缆的质量。
该项目是为某电缆厂的技术改造项目,要改造的设备是利用束线原理制造的盘绞式成缆机,改造的内容是更换全部电气控制系统。这种成缆机的放线盘固定, 而收线盘固定在盘绞架上同时完成绞合和收线的双重运动。工作时,在线缆盘直流电机的带动下,完成电缆的收线运动,在排线电机的带动下实现电缆在收线盘的整齐排列。在大盘电机的带动下,通过齿轮箱带动盘绞架实现轴向旋转,完成电缆绞合运动,是保证节距的关键。线速度是由收线盘的旋转速度决定的,如果收线电机的转速恒定,收线盘随着收线轴的变粗,线速度会增大,因此,为保证收线速度恒定,要逐渐降低收线电机的转速。
1 系统设计原理
根据电缆的生产工艺要求,不同型号的电缆,其走线速度是恒定的。通常,电缆的运行速度是由电缆带动旋转编码器来检测的。电缆线速度测速示意图如图1所示[1]。
该项目中,采用的旋转编码器的型号是TRD-J1000系列,旋转一周输出1 000个脉冲[2]。因此,根据在一定时间内检测到的脉冲数,就可以计算出电缆的走线速度。实际应用中,将其与一加工精度极高、周长为500 mm的旋转编码器测量主动轮与旋转编码器同轴安装,主动轮与电缆接触。在电缆生产运动过程中,依靠摩擦力拉动测量轮旋转,这样就把电缆的直线位移(长度)转化为旋转编码器的脉冲数字信号输出。
设旋转编码器每旋转一周,其计数脉冲个数为NP(脉冲个数/转),则旋转编码器角分辨率(单位:(°)/个)为[3]:
P=360/NP
假定固定在旋转编码器转轴上的主动导向轮半径为r m, 则旋转编码器位移分辨率(单位:m/个)为[4]:
PS =2πr/NP
这时, 若计数脉冲个数为N(个), 则由旋转编码器测量的位移量S(单位:m)为:
S=PS·N
线缆走线速度V(单位:m/s)为:
V=S/T
式中:T为接收N个脉冲所用的时间(单位:s)。
2 硬件电路设计原理
该检测电路以AT89C51单片机为控制核心,如图2所示,旋转编码器输出的脉冲,经过电平转换,变成0～5 V的TTL电平脉冲,送到AT89C51单片机的外部中断INT0端。每收到一个脉冲,单片机中断一次,同时计数脉冲存储器加1,与标准脉冲值比较后,单片机的P0口输出给定值数字量,再经过D/A转换变成给定值模拟量,送给收线电机调速器,控制电机转速[5]。这里的D/A转换芯片采用8位数据输入,四路模拟量输出的TLC7226IDW。如果需要提高电机转速控制精度,可以选用其他10位、12位数据输入的D/A转换芯片。
工作时,当收线电机带动电缆运动时,带动旋转编码器的主动轮旋转,从而旋转编码器旋转,输出脉冲。该脉冲送入光电耦合器,进行隔离、整形、电平转换,送给AT89C51的12脚,外部中断INT0进行脉冲计数。每接收到一个脉冲,单片机执行外部中断INT0 子程序一次,脉冲计数存储器加1。例如,每间隔1 s读取一次,从而可以根据计数脉冲的个数,与标准脉冲数比较,因此,可以判断当前线速度的大小[6]。
线速度的计算方法如下:
例如,要求线速度V为0.1 m/s。
旋转编码器每秒输出脉冲数=V·NP/C
其中:C为旋转编码器主动轮周长(单位:m)。所以,线速度为0.1 m/s时,旋转编码器每秒输出标准脉冲数=0.1×1 000/0.5=200个/s。
3 软件设计
在定时器中断中运行,在计时子程序中,每秒执行一次。即查询每秒收到的脉冲数是否与标准脉冲相同。该线速度控制子程序如图3所示。
首先,读脉冲计数存储器的数值,与标准脉冲数比较,等于标准脉冲,脉冲计数存储器数值清零,说明此时走线速度等于标准速度;若大于标准脉冲数,说明线速度大于标准线速度,因此,必须使调速器给定值减1,使得收线电机转速减低;若小于标准脉冲数,说明线速度小于标准线速度,必须使调速器给定值加1,使得收线电机转速增加,从而形成闭环线速度控制反馈系统,控制收线电机旋转速度,使得线速度保持恒定。
4 结 语
根据电缆成缆机的工艺要求,设计了单片机与旋转编码器组成的闭环线速度控制系统,并给出了主要控制程序的设计方法。还可以通过软件实现线缆走线长度的检测以及运行时间的计算等功能[8],并通过显示屏显示出来。上述线速度控制系统已成功应用在实际的技术改造中,为企业节约了近百万元的技术改造资金。结果表明,该系统具有运行稳定可靠、电路简单、测量精度较高、成本低等特点,完全满足电缆生产工艺要求,其简洁的电路设计和典型的控制方法具有较高的参考价值。
摘要：通过对盘绞式成缆机工作过程的分析,说明了对收线电机的控制要求,采用AT89C51单片机为控制核心,通过检测旋转编码器在单位时间内输出的脉冲数,与标准脉冲数进行比较,控制收线电机调速器的给定值,从而控制收线电机的旋转速度,实现了线缆的均匀走线速度控制。给出单片机与旋转编码器组成的闭环线速度控制系统的电路原理及主要控制程序的设计方法。其简洁的电路设计和典型的控制方法具有较高的参考价值。
关键词：旋转编码器,线速度检测,AT89C51单片机,电机调速
参考文献
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磁旋转编码器 篇6
随着工业生产自动化水平的提高,各种传感器的应用也越来越多[1]。旋转编码器作为速度和位移反馈的传感器,主要应用于数控机床、高精度的闭环调速系统、伺服电动机[2]、异步电动机、步进电动机、电梯曳引机、电梯门机乃至机械轴等需要对运动速度和位移信息反馈的自动化控制场合,以保证机械的高精度稳定运转,进而提高生产效率和保障安全运营。
本文针对旋转编码器在工业现场中的应用,基于LPC1768硬件平台,设计出一种旋转编码器采集模块,该模块内部具有高精度分析、整形、解码电路,可同时对2路编码器输入信号进行分析、解码。经过处理的旋转信号通过高性能处理器进行采集及数字滤波。旋转编码器同时还对2路编码器信号进行角速度计算,最终模块通过CAN总线将采集到的旋转位置值以及角速度值发送到DPU(分散处理单元),以供工业现场使用。
1 旋转编码器
旋转编码器是一种测量转动部件运动情况的传感器,是将旋转的机械位移量转换为电气信号,对该信号进行处理后检测位置、速度等的传感器。所谓编码,其实就是将旋转角度的信息转换为单片机可读的电信号的过程[3]。旋转编码器根据工作原理可以分为接触式、光电式和电磁式三种;根据输出信号的形式又可以分为增量式和绝对值两种,其中增量式编码器是工业中最常用的编码器。
增量编码器包括码盘、发光元件、接收元件和信号处理部分。当轴旋转时带动码盘旋转,这样刻线处透光,间隔处不透光,透过的光被接收元件接收并输入到信号处理部分,产生脉冲信号输出,输出信号一般包括A、B两相(相位差90°),有些编码器每转一圈还会输出一个零位脉冲Z,作为机械参考零位。当主轴以顺时针方向旋转时,A通道信号位于 B通道之前;当主轴逆时针旋转时,A 通道信号则位于B通道之后,从而可以由此判断主轴是正转还是反转。
2 CAN总线
CAN总线(Controller Area Network),即控制器局域网,是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线最初是德国Bosch公司于1983年为汽车应用而开发的,它是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络,属于现场总线(Field Bus)的范畴[4]。随着CAN总线的不断完善和发展,它目前已被国际化标准组织采纳为国际标准。
CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线,基本设计规范要求有较高的位速率和高抗干扰性,而且能够检测出产生的任何错误。信号传输距离达到10 km时,仍然可提供高达5 kb/s的数据传输速率。CAN协议经ISO标准化后有ISO11898标准和ISO11519标准两种,它们两者的区别在于对物理层的定义不同。ISO11898是通信速度为125 kb/s~1 Mb/s的CAN高速通信标准,而ISO11519是通信速度为125 kb/s以下的CAN低速通信标准。
3 硬件设计
根据系统功能需求,本文选用NXP公司生产的LPC1768处理器,该处理器是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器,它具有 3流水线和哈佛结构,带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的稍微低性能的第三条总线,同时还包含一个支持随机跳转的内部预取指单元,工作频率可达100 MHz。LPC1768处理器的外设组件包含高达 512 kB 的 Flash 存储器、64 kB的数据存储器、4个通用定时器、8通道的12位ADC、10位DAC、电机控制PWM、4个UART、2条CAN通道、带独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个的通用I/O管脚[5]。图1为旋转编码器采集模块总体框图。
3.1 CPU部分
由芯片手册可知,LPC1768可以选择内部RC振荡器或者主振荡器作为系统时钟源,而由于内部RC振荡器精度无法满足CAN总线通讯的要求,而主振荡器可以工作的频率范围为1 MHz~25 MHz,故选取12 MHz的晶振加上22 pF的电容构成Pierce振荡器,作为主振荡器的时钟源。由于本系统未使用芯片的A/D模块,故VDDA可以跟VDD一起连接到3.3 V,每对VDD、GND引脚间需连接一个0.1 μF的去耦电容。同时JTAG及通讯引脚均通过10 kΩ的上拉电阻连接到VDD,以提高信号传输的稳定性。
3.2 旋转编码器采集部分
旋转编码器应用于角度定位或测量时,由于旋转轴的晃动可能引起编码器输出波形的抖动,从而引发误计数现象[6],在这种情况下就不能对波形进行正确计数,本系统通过一个单稳态触发器来消除旋转编码器输出脉冲信号的抖动。图2为旋转编码器采集电路中的一路。
分析电路可知,当旋转编码器正转时,F1输出脉冲序列,当旋转编码器反转时,R1输出脉冲序列[7],电路仿真波形见图3。
3.3 CAN总线通讯部分
LPC1768处理器支持CAN 2.0B规范,兼容ISO11898-1标准,基于此,本文选取飞利浦半导体公司生产的PCA82C250芯片作为CAN总线收发器,通讯匹配电阻选取120 Ω,CAN收发器电路见图4。
3.4 电源部分
LPC1768工作电压为3.3 V,而CAN收发器及旋转编码器采集电路部分电压为5 V,所以先使用MC33063将输入电压降到5 V,供相关电路使用,然后再通过LM1117-3.3 V将5 V电压降到3.3 V,作为处理器工作电压。电源电路见图5。
4 软件设计
系统采用RealView MDK-ARM V4.10为开发平台,以C语言为主要开发语言,程序主要分三个部分:旋转编码器采集部分采用中断方式,通过LPC1768的定时捕获单元来完成对输入脉冲信号的计数工作;CAN通讯部分也采用中断方式监听来自DPU或者其他控制主机传来的命令,然后执行相应的数据传送任务;而主程序则通过一定的时间调度算法,完成旋转编码器转动方向的判断、角速度的计算以及设置相应的指示灯状态、处理CAN通讯过程中出现的异常状况、喂狗等操作。主程序流程图见图6。
5 结论
本文设计完成的旋转编码器采集模块,适用于各类工业控制现场,具有较广的应用前景。经实验室初步验证并应用于某工业现场测试,该模块对旋转编码器输入信号处理结果满足用户要求,并且能够可靠地与现场控制系统进行通讯,工作性能稳定,具有很强的抗干扰能力和很高的安全性。
摘要：旋转编码器在现代测量与控制系统中有非常广泛的应用。针对工业现场应用环境,给出了一种旋转编码器采集模块的设计方法,现场控制系统可通过CAN总线与该模块进行通讯,以完成相应的测量与控制任务。首先对旋转编码器以及CAN总线的工作原理进行了简要的介绍,然后给出了详细的硬件电路,最后介绍了软件总体设计方案,并给出了相应的软件流程图。
关键词：CAN总线,旋转编码器,LPC1768,采集模块
参考文献
[1]崔丽.2009年国内旋转编码器市场分析[J].电气时代,2009(5):28-30.
[2]方涌奎.旋转型编码器的应用[J].精密制造与自动化,2009(2):35-38.
[3]江海波.王卓然,耿德根.深入浅出AVR单片机[M].北京:中国电力出版社,2008.
[4]饶运涛.现场总线CAN原理与应用技术[M].第2版.北京:北京航空航天大学出版社,2007.
[5]NXP Semiconductors.LPC17xx user manual[OL].[2010-08-19].http://www.nxp.com.
[6]赵玉贵,旋转编码器的抗抖动计数电路[J].黑龙江科技信息,2003(2):51.
磁旋转编码器 篇7
关键词：喷涂线,控制系统,可编程控制器,旋转编码器,喷枪
在现代制造业中,为了使工件本身的材料达到某些特殊表面质量和特殊的使用环境要求,需要在其表面添加不同的涂料。随着现代喷涂技术的发展,传统的粉末喷涂工艺逐渐被静电粉末喷涂取代,整个喷涂过程只需经过前处理、喷涂及固化等工序。静电粉末喷涂是根据电泳的物理现象,分别以被涂工件和涂料雾化机作为阳极和阴极,在两极之间形成高压静电场,使带负电荷的涂料在电场的作用下均匀地附着在被涂工件上的喷涂工艺[1],多余的喷粉可以利用回收系统收集,其粉末的利用率高,能获得较好的经济效益,并在一定程度上节约了资源,降低了成本。
为了降低静电喷涂中粉末回收系统的负荷、提高涂料的利用率,需要实时根据工件的位置来控制喷枪的工作状态。受国内某喷涂厂的委托,笔者根据静电粉末喷涂的工作原理,利用PLC、传感器和编码器技术进行喷枪的控制系统设计。
1 控制原理和控制逻辑分析
1.1 系统控制原理
根据喷涂流程的设定,工件通过输送链进入喷房,喷枪的基本控制要求是:当工件进喷射室后,控制喷枪开始工作;当工件出喷射室后,控制喷枪停止工作。其控制系统如图1所示。
在喷涂线上的工件是流动的,需要采用光电传感器检测确定工件的位置。但是,由于喷房内的涂料粉尘较大,容易影响光电传感器的正常工作,因此光电传感器安装时应与喷房喷枪有一定的距离差。此时为了控制光电传感器信号的延迟,引进旋转编码器进行光电传感器信号的距离延迟。整个系统由PLC控制器实施运算和逻辑控制。这样就可由光电传感器、旋转编码器和PLC构成一套完整的喷枪控制系统(图2)。
1.2 系统控制逻辑
为了提高喷涂的均匀性,需要在工件到达喷枪前一定距离开启喷枪,同时在工件离开喷枪位置之后一定距离停止喷枪。光电传感器与喷枪的距离为L,设喷枪提前工作和延后停止的距离为l0,那么实际的喷枪控制条件如图3所示。
由图3可知,当工件前沿到达光电传感器位置时,发出开始信号给PLC控制喷枪工作,同时给这个信号加上一个L-l0距离的延迟控制,使喷枪在工件到达喷枪前l0位置时开始接收喷涂;当工件后沿经过光电传感器时,发出停止信号给PLC,同时给这个信号加上L+l0的延迟控制,使喷枪在工件经过喷枪后l0位置停止工作,距离的判断由旋转编码器实现。需考虑一种特殊情况,当一工件后沿离开喷枪位置l0后,下一工件的前沿刚好到达喷枪前l0位置,那么喷枪不需要停止,而是保持工作状态。同时可以将这个问题结合到工件内部间隙的问题考虑上,当工件内部的间隙不大于2l0时,喷枪保持工作状态,而大于2l0时,喷枪则中断工作状态。
2 控制系统的设计
2.1 旋转编码器和光幕传感器
在本设计系统中,对延迟距离的控制是其中的一个关键点。一般情况下会根据流水线的速度和延迟距离来确定延时时间。但在小型工厂,根据不同的工况,流水线的速度是可以调整的,因此无法直接确定延时时间,而旋转编码器可以直接将距离转化成转角,并通过脉冲信号输出,从而直接控制延迟距离,对延迟距离的调整也可以直接通过脉冲数体现出来,本设计中采用增量型旋转编码器作为距离的测量和控制器件[2]。同时,系统中还需用光电传感器检测工件的位置。考虑到喷涂工件垂直方向上的高度不一定,单点式的传感器难以完全实现工件检测,所以在本系统中采用线形的光幕传感器,这样可以有效地检测喷涂线上的工件流动。
2.2 PLC的选择以及I/O点分配
常用的PLC是西门子的S7系列(S7-200系列、S7-300系列和S7-400系列),其功能强大,分别用于小型、中型和大型自动化系统。本控制系统的功能相对较为简单,可采用S7-200系列PLC。查S7-200模块的特性,选取CPU222,它有8点输入、6点继电器输出,且具有一定的模块扩展能力,完全可以满足系统的需要,CPU有4个高速计数器,可满足设计的需要。根据系统不同信号的控制要求,PLC的I/O分配见表1。PLC的外部接线如图4所示[3]。
2.3 系统控制流程设计
根据控制系统的原理和控制逻辑,可以确定喷涂控制流程(图5)。
系统开始运行后,当工件经过光电传感器位置时,光电隔离,此刻开始调用高速计数器HSC3,预设值为N1=[(L-l0)/2πR]×旋转编码器分辨率,当前值等于N1时,说明工件到达了指定位置,PLC控制喷枪开始工作,同时HSC3当前值清零,为下一次循环做准备;当光电传感器光电接通时,调用高速计数器HSC0,预设值为N3=(2l0/2πR)×旋转编码器分辨率,当前值不大于N3时,说明间隔距离小于2l0,喷枪保持工作状态;当前值大于N3时,说明间隔距离大于2l0,那么调用高速计数器HSC4,预设值为N2=[(L-l0)/2πR]×旋转编码器分辨率,当前值等于N2时,喷枪暂停工作,同时HSC4清零准备下一次循环使用。
2.4 系统运行参数设定
2.4.1 喷涂系统参数
该设计方案中涉及到的喷涂线相关参数包括流水线驱动轮半径R、旋转编码器的脉冲分辨率、光电传感器与喷枪的距离L、喷枪提前工作和延后停止的距离l0及工件的节距l。由节距来确定光电传感器与喷枪的安装距离。因为PLC内部的高速计数器数量有限,不能满足多个工件的延时计数,所以,要保证在喷枪工作之前,光电传感器与喷枪之间只有一个工件。如图6所示,要使得前一个工件到达位置1时,后一个工件还未到达传感器位置,这样就保证了高速计数器HSC3在前一工件工作之后清零以备下一个工件的调用计数,因此可知L-l0
2.4.2 PLC程序参数值
HSC3设定工件前沿到达光电传感器后L-l0距离后喷枪工作;HSC4设定工件后沿经过光电传感器2l0后,计数L-l0距离后控制喷枪停止工作;HSC0设定光电传感器检测到信号断开后计数后2l0距离,若光电传感器断开后2l0内没有工件到达,则启动HSC4计数L-l0后控制喷枪停止工作;若光电传感器断开2l0后内有工件到达,则喷枪不会停止工作。
将上述得出的程序参数代入到编写的PLC程序中,即可按照要求实现特定的逻辑控制。当喷涂线的外部参数或者生产中的控制要求发生改变时,相应地改变程序中高速计数器的预设值即可将原来的控制系统调整到要求状态。
3 结束语
喷枪控制系统在实现自动化控制的同时节省了耗能和提高了涂料的利用率,可以有效地根据工件的位置控制喷枪的工作状态,满足工厂生产的控制要求。该PLC的控制系统具有较大的灵活性,方便在后期根据不同的工况对控制系统进行升级改造。
参考文献
[1]王家青,汪朝晖,胡迎锋.静电喷涂技术及其应用探讨[J].机械工程师,2006,(1):136～138.
[2]方涌奎.旋转型编码器的应用[J].精密制造与自动化,2009,(2):35～59.