1編碼器基礎

    1.1光電編碼器

    編碼器是傳感器的一種，主要用來檢測機械運動的速度、位置、角度、距離和計數等，許多馬達控制均需配備編碼器以供馬達控制器作為換相、速度及位置的檢出等，應用范圍相當廣泛。按照不同的分類方法，編碼器可以分為以下幾種類型：

    ?根據檢測原理，可分為光學式、磁電式、感應式和電容式。

    ?根據輸出信號形式，可以分為模擬量編碼器、數字量編碼器。

    ?根據編碼器方式，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、電技術于一體的數字化傳感器，主要利用光柵衍射的原理來實現位移——數字變換，通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。典型的光電編碼器由碼盤、檢測光柵、光電轉換電路（包括光源、光敏器件、信號轉換電路）、機械部件等組成。光電編碼器具有結構簡單、精度高、壽命長等優點，廣泛應用于精密定位、速度、長度、加速度、振動等方面。

    這里我們主要介紹SIMATICS7系列高速計數產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是每產生一個輸出脈沖信號就對應于一個增量位移，它能夠產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基準點的相對位置增量，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、光電檢測器件和轉換電路組成。在碼盤上刻有節距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期。檢測光柵上刻有A、B兩組與碼盤相對應的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線，它們的節距和碼盤上的節距相等，并且兩組透光縫隙錯開1/4節距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差90°。當碼盤隨著被測轉軸轉動時，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，電信號經過轉換電路的信號處理，就可以得到被測軸的轉角或速度信息。

    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A、B兩相的先后位置關系，可以方便地判斷出編碼器的旋轉方向。另外，碼盤一般還提供用作參考零位的N相標志（指示）脈沖信號，碼盤每旋轉一周，會發出一個零位標志信號。

    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碼來指示每個不同的增量位置，它是一種直接輸出數字量的傳感器。

    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相間組成，相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系，碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數。在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件。當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進制數。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有n位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有n條碼道。

    根據編碼方式的不同，絕對式編碼器的兩種類型碼盤（二進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是不需要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼，即直接讀出角度坐標的絕對值。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，波形也不規則，不能直接用于控制、信號處理和遠距離傳輸，所以在編碼器內還需要對信號進行放大、整形等處理。經過處理的輸出信號一般近似于正弦波或矩形波，因為矩形波輸出信號容易進行數字處理，所以在控制系統中應用比較廣泛。

    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射極作為公共端，并且集電極懸空的輸出電路。根據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，當邏輯1時輸出電壓為0V，如圖2-1所示）和PNP集電極開路輸出（也稱作源型輸出，當邏輯1時，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上，在電源和集電極之間接了一個上拉電阻，這樣就使得集電極和電源之間能有了一個穩定的電壓狀態，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分別為PNP型和NPN型的三極管組成，如圖2-6所示。當其中一個三極管導通時，另外一個三極管則關斷，兩個輸出晶體管交互進行動作。

    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線驅動輸出

    如圖2-7所示，線驅動輸出接口采用了專用的IC芯片，輸出信號符合RS-422標準，以差分的形式輸出，因此線驅動輸出信號抗干擾能力更強，可以應用于高速、長距離數據傳輸的場合，同時還具有響應速度快和抗噪聲性能強的特點。

    圖2-7線驅動輸出

    說明：除了上面所列的幾種編碼器輸出的接口類型外，現在好多廠家生產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的總線網絡，通過通信的方式讀出實際的計數值或測量值，這里不做說明。

    3高速計數模塊與編碼器的兼容性

    高速計數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行計數和測量等。西門子SIMATICS7的全系列產品都有支持高速計數功能的模塊，可以適應于各種不同場合的應用。

    根據產品功能的不同，每種產品高速計數功能所支持的輸入信號類型也各不相同，在系統設計或產品選型時要特別注意。下表3-1給出了西門子高速計數產品與編碼器的兼容性信息，供選型時參考。

    表3-1高速計數產品與編碼器的兼容性

    SIMATICS7系列產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編碼器選型時要考慮哪些參數

    在編碼器選型時，可以綜合考慮以下幾個參數：

    ?編碼器類型：根據應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需要確定輸出接口類型（源型、漏型）。

    ?信號電壓等級：確認信號的電壓等級（DC24V、DC5V等）。

    ?最大輸出頻率：根據應用場合和需求確認最大輸出頻率及分辨率、位數等參數。

    ?安裝方式、外形尺寸：綜合考慮安裝空間、機械強度、軸的狀態、外觀規格、機械壽命等要求。

    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的高速計數模塊，通過讀取實際脈沖個數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，根據實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，用萬用表測量電源正極和信號輸出線之間的電壓

    ·導通時輸出電壓接近供電電壓

    ·關斷時輸出電壓接近0V

    2）編碼器為PNP晶體管輸出時，用萬用表測量測量電源負極和信號輸出線之間的電壓

    ·導通時輸出電壓接近供電電壓

    ·關斷時輸出電壓接近0V

    4.3計數不準確的原因及相應的避免措施

    在實際應用中，導致計數或測量不準確的原因很多，其中主要應注意以下幾點：

    ?編碼器安裝的現場環境有抖動，編碼器和電機軸之間有松動，沒有固定緊。

    ?旋轉速度過快，超出編碼器的最高響應頻率。

    ?編碼器的脈沖輸出頻率大于計數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：

    ?檢查編碼器的機械安裝，是否打滑、跳齒、齒輪齒隙是否過大等。

    ?計算一下最高脈沖頻率，是否接近或超過了極限值。

    ?確保高速計數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

    在實際的應用中，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數頻率

    對于增量信號，可以組態多重評估模式，包括雙重評估和四重評估。四重評估是指同時對信號A和B的正跳沿和負跳沿進行判斷，進而得到計數值，如圖4-1所示。對于四重評估的模式，因為對一個脈沖進行了四倍的處理（四次評估），所以讀到的計數值是實際輸入脈沖數的四倍，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數脈沖的基礎上對計數值作了倍頻處理，而實際上對實際輸入脈沖頻率沒有影響，所以也不會提高模塊的最大計數頻率。例如，FM350-2的最大計數頻率為10kHz，那么即使配置為四重評估的模式，其最大的計數頻率還是10kHz