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(shí)速度測量。增量光編碼器的故障會(huì)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(huì)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(duì)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(shí)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(hào)AB輸出，評(píng)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(tái)上對(duì)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(gè)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(shí)，檢測光柵不動(dòng)，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(hào)，相位差為90“的正弦波像電角， 并且電信號(hào)通過轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)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(hào)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(duì)準(zhǔn)，結(jié)果速度反饋信號(hào)有不同程度的偏差，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)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(hào)。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(hào)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(shí)，傳感單元檢測N個(gè)脈沖序列，每個(gè)脈沖序列包含1個(gè)上升和1個(gè)下降，因此傳感單元最終檢測到2N個(gè)電平變化。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的總轉(zhuǎn)數(shù)可以根據(jù)每單位時(shí)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(hào)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(hào)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(hào)的上升和下降治理總數(shù)NBA，兩相B信號(hào)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(shí)B相信號(hào)的上升沿和下降槽總數(shù)計(jì)算出來。

上升沿與兩相信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(píng)估條件

檢測到光電編碼器中的故障后，將設(shè)置一個(gè)錯(cuò)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(tái)上，對(duì)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(duì)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(duì)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(jià)值。

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