1編碼器基礎(chǔ)
1.1光電編碼器
編碼器是傳感器的一種，主要用來檢測機(jī)械運(yùn)動的速度、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實(shí)現(xiàn)位移——數(shù)字變換，通過光電轉(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、檢測光柵、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號轉(zhuǎn)換電路）、機(jī)械部件等組成。光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于精密定位、速度、長度、加速度、振動等方面。
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式編碼器。
1.2增量式編碼器
增量式編碼器提供了一種對連續(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)輸出脈沖信號就對應(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。增量式編碼器測量的是相對于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對位置增量，而不能夠直接檢測出絕對位置信息。
如圖1-1所示，增量式編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成。在碼盤上刻有節(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。檢測光柵上刻有A、B兩組與碼盤相對應(yīng)的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線，它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯(cuò)開1/4節(jié)距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差90°。當(dāng)碼盤隨著被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的透過縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差90°的近似于正弦波的電信號，電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路的信號處理，就可以得到被測軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。
圖1-1增量式編碼器原理圖
一般來說，增量式光電編碼器輸出A、B兩相相位差為90°的脈沖信號（即所謂的兩相正交輸出信號），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，碼盤一般還提供用作參考零位的N相標(biāo)志（指示）脈沖信號，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，會發(fā)出一個(gè)零位標(biāo)志信號。
圖1-2增量式編碼器輸出信號
1.3絕對式編碼器
絕對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，絕對式編碼器用不同的數(shù)碼來指示每個(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絕對式編碼器原理圖
如圖1-3所示，絕對式編碼器的圓形碼盤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，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)。在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件。當(dāng)碼盤處于不同位置時(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，形成二進(jìn)制數(shù)。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個(gè)具有n位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有n條碼道。
根據(jù)編碼方式的不同，絕對式編碼器的兩種類型碼盤（二進(jìn)制碼盤和格雷碼碼盤），如圖1-4所示。
圖1-4絕對式編碼器碼盤
絕對式編碼器的特點(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)固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼，即直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值。另外，相對于增量式編碼器，絕對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丟失。
2編碼器輸出信號類型
一般情況下，從編碼器的光電檢測器件獲取的信號電平較低，波形也不規(guī)則，不能直接用于控制、信號處理和遠(yuǎn)距離傳輸，所以在編碼器內(nèi)還需要對信號進(jìn)行放大、整形等處理。經(jīng)過處理的輸出信號一般近似于正弦波或矩形波，因?yàn)榫匦尾ㄝ敵鲂盘柸菀走M(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輸出有集電極開路輸出、電壓輸出、線驅(qū)動輸出和推挽式輸出等多種信號形式。
2.1集電極開路輸出
集電極開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集電極開路輸出
圖2-2PNP集電極開路輸出
對于PNP型的集電極開路輸出的編碼器信號，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型的集電極開路輸出的編碼器信號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
對于NPN型的集電極開路輸出的編碼器信號，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型的集電極開路輸出的編碼器信號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、輸出信號相位相同且頻率范圍寬，因此它還適用于長距離傳輸。
推挽式輸出電路可以直接與NPN和PNP集電極開路輸入的電路連接，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)動輸出
如圖2-7所示，線驅(qū)動輸出接口采用了專用的IC芯片，輸出信號符合RS-422標(biāo)準(zhǔn)，以差分的形式輸出，因此線驅(qū)動輸出信號抗干擾能力更強(qiáng)，可以應(yīng)用于高速、長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊希瑫r(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)動輸出
說明：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)，通過通信的方式讀出實(shí)際的計(jì)數(shù)值或測量值，這里不做說明。
3高速計(jì)數(shù)模塊與編碼器的兼容性
高速計(jì)數(shù)模塊主要用于評估接入模塊的各種脈沖信號，用于對編碼器輸出的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)和測量等。西門子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編碼器使用的常見問題
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)用場合和控制要求確定選用增量型編碼器還是絕對性編碼器。
?輸出信號類型：對于增量型編碼根據(jù)需要確定輸出接口類型（源型、漏型）。
?信號電壓等級：確認(rèn)信號的電壓等級（DC24V、DC5V等）。
?最大輸出頻率：根據(jù)應(yīng)用場合和需求確認(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，通過讀取實(shí)際脈沖個(gè)數(shù)或碼值來判斷編碼器輸出是否正確。
?通過示波器查看編碼器輸出波形，根據(jù)實(shí)際的輸出波形來判斷編碼器是否正常。
?通過萬用表的電壓檔來測量編碼器輸出信號電壓來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)，用萬用表測量電源正極和信號輸出線之間的電壓
·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)，用萬用表測量測量電源負(fù)極和信號輸出線之間的電壓
·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)場環(huán)境有抖動，編碼器和電機(jī)軸之間有松動，沒有固定緊。
?旋轉(zhuǎn)速度過快，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。
?信號傳輸過程中受到干擾。
針對以上問題的避免措施：
?檢查編碼器的機(jī)械安裝，是否打滑、跳齒、齒輪齒隙是否過大等。
?計(jì)算一下最高脈沖頻率，是否接近或超過了極限值。
?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。
?檢查信號線是否過長，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空閑的編碼器信號線該如何處理
在實(shí)際的應(yīng)用中，可能會遇到不需要或者模塊不支持的信號線，例如：
?對于帶零位信號的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。
?對于差分輸出信號（A、/A，B、/B，N、/N），模塊不支持反向信號（/A，/B，/N）的輸入。
對于這些信號線，不需要特殊的處理，可以直接放棄不用！
4.5增量信號多重評估能否提高計(jì)數(shù)頻率
對于增量信號，可以組態(tài)多重評估模式，包括雙重評估和四重評估。四重評估是指同時(shí)對信號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。對于四重評估的模式，因?yàn)閷σ粋€(gè)脈沖進(jìn)行了四倍的處理（四次評估），所以讀到的計(jì)數(shù)值是實(shí)際輸入脈沖數(shù)的四倍，通過對信號的多重評估可以提高測量的分辨率。
圖4-1四重評估原理圖
通過以上對增量信號多重評估原理的分析可以看出，多重評估只是在原計(jì)數(shù)脈沖的基礎(chǔ)上對計(jì)數(shù)值作了倍頻處理，而實(shí)際上對實(shí)際輸入脈沖頻率沒有影響，所以也不會提高模塊的最大計(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估的模式，其最大的計(jì)數(shù)頻率還是10kHz
