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(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(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、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)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(cè)光柵上刻有A、B 兩組與碼盤相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過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(cè)器件輸出的信號(hào)在相位上相差 90°。當(dāng)碼盤隨著被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)光柵不動(dòng)，光線透過碼盤和檢測(cè)光柵上的透過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(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(duì)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(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(二進(jìn)制碼盤和格雷碼碼盤)，如圖1-4 所示。
圖1-4 絕對(duì)式編碼器碼盤
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。
