應(yīng)用于高速計(jì)數(shù)模塊的編碼器基礎(chǔ)

時(shí)間：2021-10-19作者：上海騰希電氣技術(shù)有限公司瀏覽：304

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、**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SIMATIC S7系列高速計(jì)數(shù)產(chǎn)品普遍支持的增量式編碼器和**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**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**式編碼器

**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，**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**式編碼器原理圖

如圖1-3所示，**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，**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 **式編碼器碼盤(pán)

**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**值。另外，相對(duì)于增量式編碼器，**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)*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**較作為公共端，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2-1 NPN 集電極開(kāi)路輸出

圖2-2 PNP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2-3 PNP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2-4 NPN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**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)抗干擾能力較強(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SIMATIC  S7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

SIMATIC S7 系列產(chǎn)品		增量型編碼器				**值 編碼器
		24V PNP	24V NPN	24V推挽式	5V 差分	SSI
S7-200 / S7-200 Smart	CPU 集成的 HSC	√	√	√	-	-
S7-1200	CPU 集成的 HSC	√	√	√	-	-
S7-300	CPU31xC 集成的 HSC	√	-	√	-	-
	FM350-1	√	√	√	√	-
	FM350-2	√	-	√	-	-
	SM338	-	-	-	-	√
S7-400	FM450-1	√	√	√	√	-
ET200S	1Count 24V	√	√	√	-	-
	1Count 5V	-	-	-	√	-
	1SSI	-	-	-	-	√
S7-1500	TM Count 2x24V	√	√	-	-
	TM PosInput2	-	-	-	√	√
ET200SP	TM Count 1x24V	√	√	√	-	-
	TM PosInput1	-	-	-	√	√

 

√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**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）。

?         較大輸出頻率：根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和需求確認(rèn)較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，**出編碼器的較高響應(yīng)頻率。

?         編碼器的脈沖輸出頻率大于計(jì)數(shù)器輸入脈沖較高頻率。

?         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)算一下較高脈沖頻率，是否接近或**過(guò)了極限值。

?         確保高速計(jì)數(shù)模塊能夠接收的較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)提高模塊的較大計(jì)數(shù)頻率。例如，F(xiàn)M350-2的較大計(jì)數(shù)頻率為10kHz，那么即使配置為四重評(píng)估的模式，其較大的計(jì)數(shù)頻率還是10kHz。


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