1編碼器基礎(chǔ)
1.1光電編碼器
編碼器是傳感器的一種，主要用來(lái)檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、位置、角度、距離和計(jì)數(shù)等，許多馬達(dá)控制均需配備編碼器以供馬達(dá)控制器作為換相、速度及位置的檢出等，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。按照不同的分類方法，編碼器可以分為以下幾種類型：
?根據(jù)檢測(cè)原理，可分為光學(xué)式、磁電式、感應(yīng)式和電容式。
?根據(jù)輸出信號(hào)形式，可以分為模擬量編碼器、數(shù)字量編碼器。
?根據(jù)編碼器方式，分為增量式編碼器、絕對(duì)式編碼器和混合式編碼器。
光電編碼器是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，主要利用光柵衍射的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)位移——數(shù)字變換，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。典型的光電編碼器由碼盤(pán)、檢測(cè)光柵、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路）、機(jī)械部件等組成。光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于精密定位、速度、長(zhǎng)度、加速度、振動(dòng)等方面。
這里我們主要介紹SIMATICS7系列高速計(jì)數(shù)產(chǎn)品普遍支持的增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。
1.2增量式編碼器
增量式編碼器提供了一種對(duì)連續(xù)位移量離散化、增量化以及位移變化（速度）的傳感方法。增量式編碼器的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)就對(duì)應(yīng)于一個(gè)增量位移，它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號(hào)。增量式編碼器測(cè)量的是相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置增量，而不能夠直接檢測(cè)出絕對(duì)位置信息。
如圖1-1所示，增量式編碼器主要由光源、碼盤(pán)、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成。在碼盤(pán)上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期。檢測(cè)光柵上刻有A、B兩組與碼盤(pán)相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過(guò)或阻擋光源和光電檢測(cè)器件之間的光線，它們的節(jié)距和碼盤(pán)上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距，使得光電檢測(cè)器件輸出的信號(hào)在相位上相差90°。當(dāng)碼盤(pán)隨著被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)光柵不動(dòng)，光線透過(guò)碼盤(pán)和檢測(cè)光柵上的透過(guò)縫隙照射到光電檢測(cè)器件上，光電檢測(cè)器件就輸出兩組相位相差90°的近似于正弦波的電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)處理，就可以得到被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。
圖1-1增量式編碼器原理圖
一般來(lái)說(shuō)，增量式光電編碼器輸出A、B兩相相位差為90°的脈沖信號(hào)（即所謂的兩相正交輸出信號(hào)），根據(jù)A、B兩相的先后位置關(guān)系，可以方便地判斷出編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。另外，碼盤(pán)一般還提供用作參考零位的N相標(biāo)志（指示）脈沖信號(hào)，碼盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一周，會(huì)發(fā)出一個(gè)零位標(biāo)志信號(hào)。
圖1-2增量式編碼器輸出信號(hào)
1.3絕對(duì)式編碼器
絕對(duì)式編碼器的原理及組成部件與增量式編碼器基本相同，與增量式編碼器不同的是，絕對(duì)式編碼器用不同的數(shù)碼來(lái)指示每個(gè)不同的增量位置，它是一種直接輸出數(shù)字量的傳感器。
圖1-3絕對(duì)式編碼器原理圖
如圖1-3所示，絕對(duì)式編碼器的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道，每條碼道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)。在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件。當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有n位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤(pán)必須有n條碼道。
根據(jù)編碼方式的不同，絕對(duì)式編碼器的兩種類型碼盤(pán)（二進(jìn)制碼盤(pán)和格雷碼碼盤(pán)），如圖1-4所示。
圖1-4絕對(duì)式編碼器碼盤(pán)
絕對(duì)式編碼器的特點(diǎn)是不需要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼，即直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值。另外，相對(duì)于增量式編碼器，絕對(duì)式編碼器不存在累積誤差，并且當(dāng)電源切除后位置信息也不會(huì)丟失。
2編碼器輸出信號(hào)類型
一般情況下，從編碼器的光電檢測(cè)器件獲取的信號(hào)電平較低，波形也不規(guī)則，不能直接用于控制、信號(hào)處理和遠(yuǎn)距離傳輸，所以在編碼器內(nèi)還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形等處理。經(jīng)過(guò)處理的輸出信號(hào)一般近似于正弦波或矩形波，因?yàn)榫匦尾ㄝ敵鲂盘?hào)容易進(jìn)行數(shù)字處理，所以在控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛。
增量式光電編碼器的信號(hào)輸出有集電極開(kāi)路輸出、電壓輸出、線驅(qū)動(dòng)輸出和推挽式輸出等多種信號(hào)形式。
2.1集電極開(kāi)路輸出
集電極開(kāi)路輸出是以輸出電路的晶體管發(fā)射極作為公共端，并且集電極懸空的輸出電路。根據(jù)使用的晶體管類型不同，可以分為NPN集電極開(kāi)路輸出（也稱作漏型輸出，當(dāng)邏輯1時(shí)輸出電壓為0V，如圖2-1所示）和PNP集電極開(kāi)路輸出（也稱作源型輸出，當(dāng)邏輯1時(shí)，輸出電壓為電源電壓，如圖2-2所示）兩種形式。在編碼器供電電壓和信號(hào)接受裝置的電壓不一致的情況下可以使用這種類型的輸出電路。
圖2-1NPN集電極開(kāi)路輸出
圖2-2PNP集電極開(kāi)路輸出
對(duì)于PNP型的集電極開(kāi)路輸出的編碼器信號(hào)，可以接入到漏型輸入的模塊中，具體的接線原理如圖2-3所示。
注意：PNP型的集電極開(kāi)路輸出的編碼器信號(hào)不能直接接入源型輸入的模塊中。
圖2-3PNP型輸出的接線原理
對(duì)于NPN型的集電極開(kāi)路輸出的編碼器信號(hào)，可以接入到源型輸入的模塊中，具體的接線原理如圖2-4所示。
注意：NPN型的集電極開(kāi)路輸出的編碼器信號(hào)不能直接接入漏型輸入的模塊中。
圖2-4NPN型輸出的接線原理
2.2電壓輸出型
電壓輸出是在集電極開(kāi)路輸出電路的基礎(chǔ)上，在電源和集電極之間接了一個(gè)上拉電阻，這樣就使得集電極和電源之間能有了一個(gè)穩(wěn)定的電壓狀態(tài)，如圖2-5。一般在編碼器供電電壓和信號(hào)接受裝置的電壓一致的情況下使用這種類型的輸出電路。
圖2-5電壓輸出型
2.3推挽式輸出
推挽式輸出方式由兩個(gè)分別為PNP型和NPN型的三極管組成，如圖2-6所示。當(dāng)其中一個(gè)三極管導(dǎo)通時(shí)，另外一個(gè)三極管則關(guān)斷，兩個(gè)輸出晶體管交互進(jìn)行動(dòng)作。
這種輸出形式具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此在低阻抗情況下它也可以提供大范圍的電源。由于輸入、輸出信號(hào)相位相同且頻率范圍寬，因此它還適用于長(zhǎng)距離傳輸。
推挽式輸出電路可以直接與NPN和PNP集電極開(kāi)路輸入的電路連接，即可以接入源型或漏型輸入的模塊中。
圖2-6推挽式輸出
2.4線驅(qū)動(dòng)輸出
如圖2-7所示，線驅(qū)動(dòng)輸出接口采用了專用的IC芯片，輸出信號(hào)符合RS-422標(biāo)準(zhǔn)，以差分的形式輸出，因此線驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)抗干擾能力更強(qiáng)，可以應(yīng)用于高速、長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，同時(shí)還具有響應(yīng)速度快和抗噪聲性能強(qiáng)的特點(diǎn)。
圖2-7線驅(qū)動(dòng)輸出
說(shuō)明：除了上面所列的幾種編碼器輸出的接口類型外，現(xiàn)在好多廠家生產(chǎn)的編碼器還具有智能通信接口，比如PROFIBUS總線接口。這種類型的編碼器可以直接接入相應(yīng)的總線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)通信的方式讀出實(shí)際的計(jì)數(shù)值或測(cè)量值，這里不做說(shuō)明。
3高速計(jì)數(shù)模塊與編碼器的兼容性
高速計(jì)數(shù)模塊主要用于評(píng)估接入模塊的各種脈沖信號(hào)，用于對(duì)編碼器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和測(cè)量等。西門(mén)子SIMATICS7的全系列產(chǎn)品都有支持高速計(jì)數(shù)功能的模塊，可以適應(yīng)于各種不同場(chǎng)合的應(yīng)用。
根據(jù)產(chǎn)品功能的不同，每種產(chǎn)品高速計(jì)數(shù)功能所支持的輸入信號(hào)類型也各不相同，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)或產(chǎn)品選型時(shí)要特別注意。下表3-1給出了西門(mén)子高速計(jì)數(shù)產(chǎn)品與編碼器的兼容性信息，供選型時(shí)參考。
表3-1高速計(jì)數(shù)產(chǎn)品與編碼器的兼容性
SIMATICS7系列產(chǎn)品增量型編碼器絕對(duì)值
編碼器
24VPNP24VNPN24V推挽式5V差分SSI
S7-200/
S7-200SmartCPU集成的HSC√√√--
S7-1200CPU集成的HSC√√√--
S7-300CPU31xC集成的HSC√-√--
FM350-1√√√√-
FM350-2√-√--
SM338----√
S7-400FM450-1√√√√-
ET200S1Count24V√√√--
1Count5V---√-
1SSI----√
S7-1500TMCount2x24V√√--
TMPosInput2---√√
ET200SPTMCount1x24V√√√--
TMPosInput1---√√
√兼容；-不兼容
4編碼器使用的常見(jiàn)問(wèn)題
4.1編碼器選型時(shí)要考慮哪些參數(shù)
在編碼器選型時(shí)，可以綜合考慮以下幾個(gè)參數(shù)：
?編碼器類型：根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和控制要求確定選用增量型編碼器還是絕對(duì)性編碼器。
?輸出信號(hào)類型：對(duì)于增量型編碼根據(jù)需要確定輸出接口類型（源型、漏型）。
?信號(hào)電壓等級(jí)：確認(rèn)信號(hào)的電壓等級(jí)（DC24V、DC5V等）。
?最大輸出頻率：根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和需求確認(rèn)最大輸出頻率及分辨率、位數(shù)等參數(shù)。
?安裝方式、外形尺寸：綜合考慮安裝空間、機(jī)械強(qiáng)度、軸的狀態(tài)、外觀規(guī)格、機(jī)械壽命等要求。
4.2如何判斷編碼器的好壞
可以通過(guò)以下幾種方法判斷編碼器的好壞：
?將編碼器接入PLC的高速計(jì)數(shù)模塊，通過(guò)讀取實(shí)際脈沖個(gè)數(shù)或碼值來(lái)判斷編碼器輸出是否正確。
?通過(guò)示波器查看編碼器輸出波形，根據(jù)實(shí)際的輸出波形來(lái)判斷編碼器是否正常。
?通過(guò)萬(wàn)用表的電壓檔來(lái)測(cè)量編碼器輸出信號(hào)電壓來(lái)判斷編碼器是否正常，具體操作方法如下：
1）編碼器為NPN晶體管輸出時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)量電源正極和信號(hào)輸出線之間的電壓
·導(dǎo)通時(shí)輸出電壓接近供電電壓
·關(guān)斷時(shí)輸出電壓接近0V
2）編碼器為PNP晶體管輸出時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)量測(cè)量電源負(fù)極和信號(hào)輸出線之間的電壓
·導(dǎo)通時(shí)輸出電壓接近供電電壓
·關(guān)斷時(shí)輸出電壓接近0V
4.3計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確的原因及相應(yīng)的避免措施
在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)致計(jì)數(shù)或測(cè)量不準(zhǔn)確的原因很多，其中主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
?編碼器安裝的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有抖動(dòng)，編碼器和電機(jī)軸之間有松動(dòng)，沒(méi)有固定緊。
?旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快，超出編碼器的最高響應(yīng)頻率。
?編碼器的脈沖輸出頻率大于計(jì)數(shù)器輸入脈沖最高頻率。
?信號(hào)傳輸過(guò)程中受到干擾。
針對(duì)以上問(wèn)題的避免措施：
?檢查編碼器的機(jī)械安裝，是否打滑、跳齒、齒輪齒隙是否過(guò)大等。
?計(jì)算一下最高脈沖頻率，是否接近或超過(guò)了極限值。
?確保高速計(jì)數(shù)模塊能夠接收的最大脈沖頻率大于編碼器的脈沖輸出頻率。
?檢查信號(hào)線是否過(guò)長(zhǎng)，是否使用屏蔽雙絞線，按要求做好接地，并采取必要抗干擾措施。
4.4空閑的編碼器信號(hào)線該如何處理
在實(shí)際的應(yīng)用中，可能會(huì)遇到不需要或者模塊不支持的信號(hào)線，例如：
?對(duì)于帶零位信號(hào)的AB正交編碼器（A、B、N），模塊不支持N相輸入或者不需要Z信號(hào)。
?對(duì)于差分輸出信號(hào)（A、/A，B、/B，N、/N），模塊不支持反向信號(hào)（/A，/B，/N）的輸入。
對(duì)于這些信號(hào)線，不需要特殊的處理，可以直接放棄不用！
4.5增量信號(hào)多重評(píng)估能否提高計(jì)數(shù)頻率
對(duì)于增量信號(hào)，可以組態(tài)多重評(píng)估模式，包括雙重評(píng)估和四重評(píng)估。四重評(píng)估是指同時(shí)對(duì)信號(hào)A和B的正跳沿和負(fù)跳沿進(jìn)行判斷，進(jìn)而得到計(jì)數(shù)值，如圖4-1所示。對(duì)于四重評(píng)估的模式，因?yàn)閷?duì)一個(gè)脈沖進(jìn)行了四倍的處理（四次評(píng)估），所以讀到的計(jì)數(shù)值是實(shí)際輸入脈沖數(shù)的四倍，通過(guò)對(duì)信號(hào)的多重評(píng)估可以提高測(cè)量的分辨率。
圖4-1四重評(píng)估原理圖
通過(guò)以上對(duì)增量信號(hào)多重評(píng)估原理的分析可以看出，多重評(píng)估只是在原計(jì)數(shù)脈沖的基礎(chǔ)上對(duì)計(jì)數(shù)值作了倍頻處理，而實(shí)際上對(duì)實(shí)際輸入脈沖頻率沒(méi)有影響，所以也不會(huì)提高模塊的最大計(jì)數(shù)頻率。例如，F(xiàn)M350-2的最大計(jì)數(shù)頻率為10kHz，那么即使配置為四重評(píng)估的模式，其最大的計(jì)數(shù)頻率還是10kHz
