一种新型数字式角度传感器的研究 Research on a New Digital Angle Sensor (北京石油化工学院)于 静 张吉月 YU JING ZHANG JIYUE 摘 要：随着设备对角度的高精度检测的需求不断增加，研制一种精度高、寿命长的传感器 十分必要。采用增量式光电编码器和可编程序控制器的全新设计，较好地解决了这一问题。 角度全量程的最高分辨率为 0.09°。实践表明性能指标满足工艺要求。由于采用光电传感， 系统检测过程无磨损，可靠性高，已大量应用在诸如焊丝高精度层绕机、子午线轮胎纤维帘 布裁断机等各种精加工设备上。 关键词：增量编码器；可编程序控制器；硬件高速计数器 中图分类号：TP273 文献标识码：A Abstract：The development of the high accuracy and long service life angle sensor is very urgent with increase of the requirement of high accuracy angle measurement in some devices. The new design with incremental encoder and Programmable Logical Controller works out a solution. The highest resolution in range is 0.09 degrees. The actual results show that performance targets meet technological requirements. There is no wear and tear in system with adopting photoelectric sensor. The reliability is high. They have been plenty applied to such as welding wire gradation twining machine and the auto splicer in radial ply cutter. Keyword：Digital Angle Sensor；Incremental Encoder；Hardware High Speed Counter 引言 各种钎丝制品（如各种焊丝、电机和变压器绕组等）的高精度层绕、各种精密机台的旋转测 量与控制，均需要高精度的角度测量。采用 1000 线的增量编码器和计数频率 100KHZ 的高 速计数器，可实现角度全量程检测的最高 0.09°的分辨率，根据需要选择不同线数的编码器 可实现不同的检测分辨率。 1 数字式角度传感器的构成 以 1000 线/转增量式光电编码器为例，其结构如图 1 所示。系统中增量式光电编码器输出 A、 B 和 Z 三相脉冲，每转输出 1000 个 A、B 相脉冲和一个 Z 相脉冲。 如硬件高速计数器工作在 4 分频，可接收增量式编码器每转输出的 4000 个脉冲沿，每个脉 冲沿的计数对应 0.09°。如图 2 所示。可编程序控制器的硬件高速计数器 HHSC 采用 2 相 2 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

输入工作模式。传感装置即可以采用外部硬件清零的工作方式，也可以采用编码器 Z 脉冲 自动回零的方式。 2 数字式角度传感器的原理 2.1 高速计数器的工作原理 硬件高速计数器设有由外部输入的复位(Reset)，启动(Start)的信号，同时亦可由特殊内部继 电器作为复位信号(Reset)和启动信号(Start)。若 R 及 S 的外部控制信号输入不使用，可以 利用特殊内部继电器设为 True，将该输入信号的动作关闭，而其对应的外部输入可再作为 一般输入点使用，如图 3 所示。使用特殊内部继电器作为高速计数器的 START/RESET 控 制输入，动作会受扫描时间影响。 2.2 采用外部中断插入实现增量式编码器的清零 高速计数器的 X0～X5 输入端的输入信号于正沿或负沿触发时，因 PLC 主机内的特殊硬件 电路的处理，将不受扫描周期影响，立即中断目前执行中之程序而跳至指定的中断插入子程 序指针 I00□(X0)，I10□(X1)，I20□(X2)，I30□(X3)，I40□(X4)，I50□(X5)处执行，至 IRET 指令被执行时再回到原来的位置继续往下执行。通过 Z 脉冲的上升沿产生中断，在中断服 务程序中对高速计数器清零，进而实现角度测量的零点位置标定。 图 3 高速计数器的机制 3 程序编制 采用 PLC 梯形图编程方式。在主程序中完成高速计数器的初始化以及工作模式的定义，在 中断服务程序中实现角度传感器的回零功能。如图 4 所示。实验测试结果见表 1 所示。 4 角度传感器的应用 4.1 焊丝层绕机排线机构的角度控制 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

焊丝层绕机需遵循如下原则，在正常行走时，需要一定的滞后角排线，在换向区内需时刻保 持不能超前的换向原则。手动方式下将直线单元移动至一边（左右皆可）直到极限开关动作 并停止，如图 5 所示。自动形成直线单元移动方向标志，左极限开关置位右行标志，复位左 行标志；右极限开关置位左行标志，复位右行标志。收线与倒线开关的上升沿将对直线单元 的左右行走标志取反。 收线右换向时，即右换向开关动作瞬间，直线单元以 4 倍基速快速推进至β≤0.36°；主电 机继续旋转，直线单元以基速继续跟踪，当焊丝缠绕接近至工字轮的最右边一圈线时，右极 限开关动作，延时 0.2 秒后直线单元停止，同时复位直线单元右行标志，置位左行标志。收 线左换相同理于收线右换相。收线左行时，角度α维持≤中心角+滞后角；右行时，角度α 维持≥中心角-滞后角。 倒线右换向时，即右极限开关动作瞬间，直线单元停止并使右行标志复位而左行标志置位， 当β减至 0°时，直线单元迅速退至角度为中心角-滞后角并继续跟踪；当左极限开关动作 瞬间，直线单元停止并使左行标志复位而右行标志置位，当β减至 0°时，直线单元迅速退 至角度为中心角+滞后角并继续跟踪。倒线左行时，角度α维持≤中心角-滞后角；右行时， 角度维持≥中心角+滞后角。 表 1 角度实验测试结果 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

4.2 子午线轮胎纤维帘布吸取对接装置的角度控制 吸取装置将吸取架下的帘布块吸至对接平台上，与上一块的帘布尾对接，对接精度为：压接 头 3mm±1mm，边缘大小头小于±1mm。为此，要求送布辊与主传送带精确配合，送布与 拉缝精确定长，已裁断的帘布定长累计误差小于±1mm。同时由于帘布和主传送带等因素 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

吸盘下的帘布块会产生一定的偏转，需实时加以纠正。吸取装置由全数字交流伺服电机驱动， 从零点（对接线）出发，当激光边缘检测装置检测到帘布边缘时，电机从速度模式切到位置 模式，完成定长运动之后，吸盘将准确停在帘布的前边缘，即吸盘总的行走距离为 C，如图 6 所示。在吸取机构调平行后，吸盘经落下、吸取、抬起、回零（回对接线）、释放、压接 等一系列动作之后，由伺服电机驱动的对接传送带，将压接完的帘布输送至前储布坑。布尾 的停止由布尾激光检测开关切换伺服电机从速度模式转为位置模式，实现准确的布尾定位。 吸盘的旋转角度采用闭环调节，以确保对接指标的实现。 5 结论 本文作者创新点:本设计主要是为各种精加工设备提供角度检测装置，它具有精度高、可靠 性强的特点。实践证明，该传感器非接触的检测机理确保了其长期可靠运行。使用 1000 线 的增量式编码器，其全量程分辨率为 0.09°，分辨率将随着编码器的线数的增加而变高。 参考文献： [1]陶卫，浦昭邦，孙运斌.角度测量技术的发展.激光杂志,2002,23(2):5～7 [2]于晓东，胡大欣.旋转编码器在回转体回转角度测量中的应用.林业机械与木工设备，2005， (2):43～44 [3]缪玲梅，何衍庆.可编程序控制器中计数器的应用设计.石油化工自动化,2002,59(4):59～62 [4]于克龙.绕线机排线机构的运动分析与控制.机械制造与自动化, 2005,34(3):102～103 [5]樊勇等．PLC 在自立袋罐装机控制系统中的应用［J］．微计算机信息，2006，7-1：65-66。 作者简介：于静（1963-），北京石油化工学院高级讲师，现主要从事教学与科研工作，E-mail: Yujing@bipt.edu.cn；张吉月（1965-），北京石油化工学院副教授，现主要从事教学与科研工 作。 Biography: Yujing:(1963-), the senior lecturer of Beijing Institute of Petro-Chemical Technology, is currently working at teaching and scientific research. Zhangjiyue:(1965-),the associate professor of Beijing Institute of Petro-Chemical Technology, is currently working at teaching and scientific research. (102617 北京 北京石油化工学院)于静 张吉月 (Beijing Institute of Petro-chemical Technology, Beijing 102617)Yu Jing Zhang Jiyue 通讯地址：（102617 北京石油化工学院信息工程学院） http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛