增量
光電編碼器故障診斷
增量光電編碼器具有分辨率高、精度高、設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn),是理想的速度傳感器,廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有大多數(shù)電機(jī)控制系統(tǒng)中電機(jī)的實(shí)時速度測量。增量光編碼器的故障會引起嚴(yán)重的故障,一旦增量光編碼器發(fā)生故障,所以反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速不正確,就會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高,電機(jī)過熱,甚至發(fā)生嚴(yán)重事故,燒毀電機(jī)或變頻器。因此,增量光電編碼器的故障診斷對于具有速度反饋的電機(jī)控制器尤為重要。本文考察了增量光編碼器的故障診斷,實(shí)時檢測增量光編碼器的工作狀態(tài),從光編碼器抽取兩相方波脈沖信號AB輸出,評估并指示增量光編碼器是否失效,并在實(shí)驗(yàn)故障診斷平臺上對本文提出的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究, 結(jié)果表明,本文提出的診斷算法簡單,診斷精度高。
增量編碼器的工作原理
增量光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測元件和轉(zhuǎn)換電路組成,如圖1所示。碼盤上刻有等間距的徑向透射狹縫,相鄰的兩個透光狹縫(A組和B組)之間刻有增量周期檢測光柵,碼盤的相應(yīng)透光狹縫用于在光源和光電檢測裝置之間透射或阻擋光線。
當(dāng)碼盤隨被測旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時,檢測光柵不動,光線通過碼盤和檢測光柵上的縫隙照射到光電檢測裝置,光電檢測裝置輸出兩組電信號,相位差為90“的正弦波像電角, 并且電信號通過轉(zhuǎn)換電路的信號處理發(fā)出方波,可以獲得被測軸的旋轉(zhuǎn)角度或速度信息。增量光電編碼器的輸出信號波形如圖2所示
增量編碼器故障分析
增量編碼器是一種高精度儀器,往往由于機(jī)械裝配的原因,導(dǎo)致碼盤損壞或網(wǎng)格未對準(zhǔn),結(jié)果速度反饋信號有不同程度的偏差,嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致整個電機(jī)控制系統(tǒng)的故障,導(dǎo)致不必要的故障和損失。
理論上,未損壞的增量光電編碼器通過組合光源(即光單元和光柵)輸出連續(xù)占空比為50%的方波信號。如果光檢測設(shè)備損壞,將輸出不規(guī)則波形,如圖3所示。
增量編碼器故障診斷方法設(shè)計(jì)
光增量編碼器輸出的兩相A和B信號的上升和下降方向數(shù)分別計(jì)算。由于在正常情況下增量光電編碼器的分辨率為N,即每次電機(jī)旋轉(zhuǎn)時,傳感單元檢測N個脈沖序列,每個脈沖序列包含1個上升和1個下降,因此傳感單元最終檢測到2N個電平變化。因此,發(fā)動機(jī)的總轉(zhuǎn)數(shù)可以根據(jù)每單位時間內(nèi)記錄的水平變化總數(shù)(即上升和下降側(cè)翼數(shù)的總和)來計(jì)算。然后計(jì)算光電編碼器輸出的兩相A和B信號的上升度和下降度總數(shù)之間的差值。設(shè)光電編碼器輸出的A相信號的上升和下降治理總數(shù)NA,以及光電編碼器輸出的B相信號的上升和下降治理總數(shù)NBA,兩相B信號的上升沿和下降沿總數(shù)之差為ON。
在光電編碼器發(fā)生缺相的情況下,這里建議假設(shè)相位A故障,電機(jī)的總旋轉(zhuǎn)圓NT可以從正常工作時B相信號的上升沿和下降槽總數(shù)計(jì)算出來。
上升沿與兩相信號A和B的下降匝數(shù)總數(shù)之差是AN與電機(jī)總轉(zhuǎn)數(shù)NT的比值,即相位信號A在電機(jī)一圈循環(huán)中不存在的電平變化次數(shù)。
普通光電編碼器具有固有故障,兩相A和B信號的上升沿和下降沿總數(shù)之間的差異應(yīng)在正常條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。最后,在實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上,考慮到故障診斷系統(tǒng)的魯棒性,可將光電編碼器的最大允許故障值設(shè)置為6
如果電機(jī)一轉(zhuǎn)周期內(nèi)A相信號缺席的電平變化數(shù)小于光電編碼器8的最大允許故障值,則光電編碼器正常,反之亦然,光電編碼器有缺陷。綜上所述,光電編碼器故障No>8(4)的評估條件
檢測到光電編碼器中的故障后,將設(shè)置一個錯誤標(biāo)志,指示光電編碼器的故障狀態(tài)。
增量編碼器實(shí)驗(yàn)研究
在故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺上,對本文提出的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,選取增量光電編碼器作為研究對象,碼盤網(wǎng)格的分辨率為N = 1000。允許的最大故障值為 8 = 10。對于處于正常和故障狀態(tài)的編碼器,表1中的數(shù)據(jù)Ng=1.09<10和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1的表2表明光電編碼器工作正常。 表2中的數(shù)據(jù)N=436.92>10表明光電編碼器有缺陷。
本文提出的光電編碼器檢測裝置故障診斷方法簡單穩(wěn)定,能夠獲得準(zhǔn)確的診斷結(jié)果,具有實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用價值。
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