光电编码器在提升机电控系统中的应用

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。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。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。

下面以国产长春光机所的LF型光电编码器配合三菱FX系列PLC在矿山提升机上的应用为例加以说明。

1 光电编码器的应用

从我们多年使用LF型光电编码器的情况看，其使用性能良好，在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。因此，我们在矿井提升机电控系统中需要作为位置和速度测量时，对矿井提升深度的测量选用LF-102.4CF型光电编码器作为传感器，其输出电路选用集电极开路型，输出分辨率选用1024个脉冲/圈，考虑到与之配套的PLC的高速计数口的计数频率问题，也可选用2048个脉冲/圈的，这取决于系统要求的精度。工作时编码器既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，此时根据编码器旋转的方向判定提升机的旋转方向。

1.1 在提升机位置测量方面的应用

采用LF-102.4CF型旋转式增量型光电编码器，把它的转轴与提升机滚筒轴头的输出传动轴相连。当提升机转动时光电编码器产生光电计数脉冲，被PLC的高速计数口捕获，由于从提升开始点到停车点之间的距离是一定的，因此提升机滚筒所转动的圈数是固定的，所以滚筒转动时增量型编码器所计的总脉冲数是一定的，反之滚筒反向旋转时其所计的总脉冲数减少也是一定的。根据这种原理，我们可以通过判断所计脉冲数的多少，通过计算可以得出目前实际的提升深度是多少。具体方式是：①将提升容器提至井口正确停车位置；②将PLC编码器计数寄存器中计数值清零；③慢速开车至井底准确停车点；④将PLC编码器计数寄存器中计数值读出，并将此时的总计数值被总井深值去除，得到计数系数；⑤将实时计数值与计数系数相乘，得到深度值。

1.2 在速度测量方面的应用

采用LF-102.4CF型旋转式增量型光电编码器，还可以对提升机的提升速度进行测量。具体原理是PLC可以在设定的时间间隔内，如200ms，对高速计数口在该段时间内所得到的计数脉冲进行测量。因此当提升速度快时，滚筒转动速度加快，单位时间内捕获的计数脉冲就多；反之，当提升机慢速运行时，滚筒转动速度慢，单位时间捕获的脉冲数就少。计算单位时间内所捕获的脉冲数，并进行适当的运算可精确算出提升机的运行速度。有些PLC本身就带有根据脉冲数专门设置的运算命令，使用时只要调用该命令，并输入脉冲数就可以了，非常方便。

光电编码器进行提升速度计算在提升机速度保护方面具有非常重要的意义，它使过去依赖测速反馈发电机作为速度保护的单一手段更加丰富，从而大大提高了提升机的安全性。

1.3 在提升机错向保护方面的应用

LF-102.4CF型旋转式增量型光电编码器，在提升机的错向保护方面还可以得到应用，由于增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90°，从而可方便地判断出旋转方向。而提升机给出运行方向，由于某种原因实际滚筒旋转方向与给出的方向相反，我们称为错向，错向对提升机的运行是不允许的，由于光电编码器的上述特性，我们可以很方便地判断出滚筒的实际运行方向是否与给定方向一致，不一致时马上加以保护。由于光电信号速度很快，因此判断方向非常灵敏，相比过去采用测试测速发电机所发电压极性来判断滚筒实际转向的方法来说可靠性大为提高。

2 应用中问题分析及改进措施

2.1 应用中问题分析

光电编码器都安装在生产现场，在使用中暴露出一些缺陷，其有内在因素也有外在因素，主要表现在以下几个方面：

(1)光电编码器因机械接口等原因而引起的移位或松脱，导致编码器不能可靠地接收到光信号或计数值发生丢失的现象。例如：光电编码器应用在提升系统中，因光电编码器是直接用螺栓固定在提升机主轴的传动轴上，中间是弹性轴联接器，如果安装时位置过于偏置，造成弹性联轴节倾斜过度，失去弹性作用，因电动机所带负载发生振动时，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。还有就是由于编码器是在不断的转动当中，当弹性联轴节的固定不紧时，会发生松脱现象，造成计数过程中突然丢失脉冲，如果丢失严重的话，会算出错误的数值，造成井深深度指示不对，或误报速度故障。

(2)因光电检测装置安装在生产现场，受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠地工作。例如在提升机天轮上安装的用于防滑保护的编码器，由于环境不好，夏天温度过高，冬天温度过低，雨天湿度过大等原因而导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏而误发出信号。

(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，导致光电编码器脉冲输出波形发生畸变失真，使系统误计数。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PLC的距离一般在20～100m，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它电缆同在一起敷设，极易受到各种电磁干扰的影响，因此引起脉冲波形失真，从而使计数信号发生偏差，而导致系统精度下降。

2.2 改进措施

改变光电编码器的安装方式。光电编码器尽量不直接安装在有震动的负载外壳上，最好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。固定轴联接器和传动轴之间的顶丝和固定键要经常检查，以防松脱。

合理选择光电编码器输出信号传输介质，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；二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。传输电缆最好单独敷设，并远离变频器，直流机车，电焊机等干扰强烈源。有时在高速计数口上加装滤波电容，也可有效地排除高频干扰。

利用PLC软件监控或干涉。在PLC程序中对某些保护，如错向和断轴保护，设置一定的时间滤波，或在深度计算时，设置脉冲计数有效距离也可在软件上排除误动作。

3 结语

以上只是谈了一些光电编码器在矿山提升机电控系统上的一些基本用法，实际应用中光电编码器还有许多功能，其在电控系统中的重要性也越来越显示出来。因此，目前在矿井提升机电控系统中，光电编码器的数量正在逐步增加，一个系统中最多时可用到3～4只光电编码器。光电编码器的应用是和PLC近年的发展离不开的，目前在我国矿山系统中所涉及的一些电控领域，都会看到它的身影。

光电编码器本身是由电子元器件构成，它对安装方式和环境有一定的技术要求，特别是在较恶劣环境下使用要采取相应的保护措施，以使光电编码器工作在其产品要求的技术条件下，才能发挥装置的技术性能。否则光电检测装置的使用寿命及其工作的可靠性都将受到不同程度的影响。