增量式光电编码器的故障诊断分析

2020-09-08 370 上传者：管理员

摘要：增量式光电编码器是工业现场带有速度反馈的电机控制系统中常用的速度传感器。在实际应用中，编码器常发生码盘损伤或光栅受损错位，造成速度反馈信号偏差，导致整个电机控制系统故障，造成不必要的损失。本文基于编码器输出A、B两相信号的上升沿和下降沿，对增量式光电编码器进行故障诊断，并在故障诊断实验平台上验证了方法的有效性和可行性。

关键词：
上升沿
下降沿
增量式光电编码器
故障诊断
电机
电机控制系统
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增量式光电编码器具有分辨率高、精度高、结构简单等优点，是一种理想的速度传感器，在现有的绝大多数电机控制系统中，常被用来测量电机的实时转速。增量式光电编码器的故障会产生严重的错误，一旦增量式光电编码器发生故障，使反馈的电机转速错误，可能会导致电机转速不断上升，电机过热，甚至发生烧毁电机或变频器的严重事故。所以，增量式光电编码器的故障诊断在带有速度反馈的电机控制系统中尤为重要。本文研究增量式光电编码器故障诊断，实时检测增量式光电编码器的运行状态，绘制光电编码器输出的A、B两相方波脉冲信号，判断和指示增量式光电编码器是否发生故障，并在故障诊断实验平台上对本文提出方法进行实验研究，结果表明：本文所提的诊断算法简单，同时，具有较高的诊断精度。

1、编码器工作原理

增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测元件和转换电路组成，如图1所示。码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期。检测光栅上刻有A、B两组和码盘对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。

图1增量式光电编码器的组成

在码盘随被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理输出方波，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图2所示。

2、编码器故障分析

增量式编码器属于高精度仪器，往往因为机械装配原因使得码盘损伤或光栅受损错位等，这就会使速度反馈信号出现不同程度的偏差，严重情况下，甚至会导致整个电机控制系统的失败，造成不必要的故障和损失。

图2增量式光电编码器的输出信号波形

理论上，未受损的增量式光电编码器会通过光源即光电管和光栅的配合，输出连续占空比为50%的方波信号。若光电检测器件出现损坏，则会输出不规则的波形，如图3所示。

图3光电编码器故障时的输出波形

3、故障诊断方法设计

对增量式光电编码器输出的A、B两相信号的上升沿和下降沿的数量分别进行统计。由于在正常情况下，增量式光电编码器的分辨率为N，即电动机每转动一圈，捕获单元就会捕捉到N个脉冲序列，每个脉冲序列包含1个上升沿和1个下降沿，所以捕获单元最终会捕捉到2N个电平变化。因此，可以根据单位时间内捕获到的总电平变化数量，即上升沿和下降沿的数量总和，计算出电机转动的总圈数。然后，计算光电编码器输出的A、B两相信号的上升沿、下降沿总数的差值。设光电编码器输出的A相信号的上升沿和下降沿总数为NA，光电编码器输出的B相信号的上升沿和下降沿总数为NB,A、B两相信号的上升沿和下降沿总数的差值为∆N。

公式1

当光电编码器的任意相故障，此处不妨假设A相故障，则可用利用正常运行状态的B相信号上升沿和下降沿的总数NB计算电动机转动总圈数NT。

公式2

A、B两相信号的上升沿和下降沿总数的差值为∆N与电动机转动总圈数NT的比值，即为在电机转动一圈的周期内A相信号缺少的电平变化数量，设为Nσ。

公式3

正常的光电编码器存在固有误差，应经过实验测量出正常情况下A、B两相信号的上升沿和下降沿总数的差值。在测量统计结果的基础上，考虑到故障诊断系统的鲁棒性，可以最终设定光电编码器允许的最大误差值，设为δ。

如果电机转动一圈的周期内A相信号缺少的电平变化数量Nσ小于光电编码器允许的最大误差值δ，则光电编码器正常，反之，则光电编码器存在故障。综上，得到光电编码器故障的判定条件Nσ>δ（4)

在检测到光电编码器发生故障后，设置故障标志位，指示光电编码器的故障状况。

4、实验研究

在故障诊断实验平台上，对本文提出的方法进行实验研究，选用日本欧姆龙公司E6B2-CWZ6C型增量式光电编码器为研究对象，码盘光栅分辨率N=1000，允许最大误差值δ=10。对于正常和故障两种状态下的编码器，得到实验数据表1和表2。

表1中数据Nσ=1.09<10，表明光电编码器正常运行。表2中数据Nσ=436.92>10，表明光电编码器故障。

5、结语