编码器基础

1.1前言

SIMATIC运动控制（SIMATIC Motion Control）是一个复合的自动化控制系统，系统由自动化PLC控制器和负责运动的设备（运动控制驱动功能）组成。

从本章节开始，介绍驱动技术中测量系统相关的编码器基础知识。

为什么选择编码器作为介绍内容？因为做为运动控制的测量反馈，编码器对运动控制起到了至关重要的作用。作为从事运动控制领域的工程师，不论是集成商、服务工程师还是设备的维护工程师，都会接触到各种各样的驱动系统，而编码器是驱动系统控制环节中的反馈环节。采用编码器反馈的设备在实际应用中非常广泛，几乎在所有行业的生产机械中都可以找到其身影。对于使用者或最终用户的设备操作角度来看，可能从未注意到编码器的存在，但它对于运动控制工程师来说，编码器在设备运行中起到了非常关键的作用。所以学习编码器的相关知识有助于设备控制系统的设计、调试和使用。

以这篇文章为开始，介绍编码器的基本信息：什么是编码器，它的特点和作用、编码器的各种类型和匹配关系，然后介绍编码器的选择、使用等相关内容。通过本文的梳理和总结，希望能帮助快速了解关于运动控制系统中编码器的相关技术知识。

1.2编码器简介

简单地说，编码器是一种提供反馈信号的传感器。它是用来反馈设备运动信息的装置。编码器可以确定电机或其他移动设备的速度或位置信息，将运动信息转换为电信号，这些信号可以被运动控制系统中的对应类型的接口模块所读取。

由于编码器可提供确定位置、速度或方向的反馈信号，对于具有高精度和准确度运行的小型伺服电机来说是必备的组件，即使对于起重机等用于提升沉重负载的大型电机也同样重要。事实上，从石油化工到纸浆造纸、从精密电子到汽车制造，几乎每个行业都可以找到编码器的身影，例如：

- 在定长切割应用中，带有测量轮的编码器可以检测出材料的进给长度将并此信息传送给控制器，控制器根据这此信息确定何时对材料进行切割。

- 在机器手搬运过程中，机械手臂位置的精确运动信息由编码器提供，以实现精准的搬运动作。

- 在精密伺服贴标机中，使用编码器信号来监控瓶子旋转的时间、速度和位置。

- 在大型3D金属打印应用中，来自编码器的反馈信息可用于打印在特定位置铺放的材料。

- 在自动化装配线上，编码器向机器人提供工件的运动信息，以确保机器人焊接臂在正确位置对工件进行焊接。

在以上的任何应用中，编码器的作用都是相同的：即生成位置、速度和方向等信息并将其发送到控制器，然后控制器根据其反馈信息而发送控制信号以执行相关动作。

1.3编码器原理

编码器可以使用不同类型的技术来产生信号，包括：机械、磁性、电阻和光学——光学是最常见的。在光学传感中，编码器根据光的中断提供反馈，即利用光透射原理对码盘进行光电扫描的方式来进行工作。

要了解编码器的工作原理，我们可以以一个基本的增量光学编码器为例介绍光学编码器系统组成，如图1-1所示，组件名称如下：

- 码盘：具有代表轴不同位置的图案，码盘上合理地排列线状光栅

- 光源：光源为一个发光器件，照亮码盘

- 感光原件：由光电元件接收编码器轴旋转时产生的明暗交替变化生成信号。

- 电子板：读取光电探测器组件并且产生相位相差 90°的两种通道信号 A 和 B，以及参考信号 R。

图1-1 光学编码器的组成

工作原理：

脉冲由开槽圆盘的机械运动产生。通过将光传输到光敏元件，光线通过码盘孔导致光电元件产生电压，该电压被电子系统处理为二进制信号。

1.4编码器类型

从信号产生类型上看，测量位置和运动随时间的变化通常会选择数字编码器。但是，有时需要考虑环境因素，也会使用其他的测量无件，比如在恶劣环境或震动场合下，就需要使用旋转变压器或测速发电机(转速测量)进行测量。

从硬件结构上看，主要分为直线或旋转型编码器。。直线编码器沿运动路径线***，而旋转编码器与电机一起旋转以检测旋转运动信息。

根据所使用的技术、电源类型或记忆当前位置的能力，编码器又可以分为增量式和绝对值式两种类型。

增量编码器不表示绝对的位置信息，仅表示位置发生的变化。由于增量编码器不提供任何关于绝对的位置信息，因此使用增量编码器检测位置时，驱动器断电后位置值会丢失。在重新通电后驱动器无法再确定电机轴位置和机器位置之间的关联，所以在进行绝对定位前，需要执行主动回参考点（回零、寻参、找原点等不同描述词汇），随后驱动器可以再次建立电气零点和机器零点之间的关联。增量编码器普遍应用于异步感应电机的工业应用中。

如果控制只需要相对位置信息，并且允许驱电掉电后执行主动回参考点，就可以选择增量编码器，以降低成本。

绝对值编码器对每个位置使用不同的编码信息，这意味着绝对值编码器既提供位置已改变的信息，又提供编码器绝对位置的信息。使用绝对值编码器检测位置时，在驱动器断电后位置值不会丢失，但绝对值编码器不会像增量编码器那样坚固。绝对值编码器经常应用在永磁同步电机的伺服应用中，用于满足精度和准确度需求较高的场合。

1.5增量编码器简述

增量编码器（也称为增量或脉冲编码器）是一种转换器，可产生确定旋转运动中角增量的电脉冲。增量式编码器的一个特点是输出的脉冲数恒定，这决定了测量系统的精度。除了绝对定位需要回零这一不足，增量编码器具有低成本、分辨率高、体积小、易于更换、抗干扰能力强、工作可靠和数据传输速度快等特点。下面对几种常用的增量编码器进行介绍。

1.5.1 HTL/TTL 增量编码器

对于增量式编码器来说，最常见的是 TTL和HTL。

- TTL（Transistor Transistor Logic：晶体管晶体管逻辑电路）编码器的输出电压值约为5VDC（逻辑“1”最小3V，逻辑“0”最大0.5V）。输出电压不依赖于电源电压电平。编码器电源有两种标准：4.75~5.5 VDC或7~30 VDC。无论电源电压是多少，输出均遵循RS422电气标准。TTL输出提信号具有相对较高的频率响应和非常好的抗噪性。

- HTL编码器输出具有与电源电压电平成正比的电压值，电源电压通常在7~30 VDC的范围内。HTL（High Threshold Logic：高阈值逻辑电路）结构是二极管晶体管（RTL?TTL的前身）的变体，其中输出信号由晶体管放大。

HTL/TTL 编码器每改变旋转运动中的位置时会产生一个电信号，该信号被发送到监控系统（驱动器或控制器），HTL/TTL 编码器使用数字信号上升沿传输数值。使用时编码器至少需要配备一个信息输出通道(A)。

如图1-2所示，增量编码器输出方波信号，也可以称之为脉冲编码器或方波编码器。通常输出通道是两个相位相差90°的A和B信号，通过检测信号出现的先后顺序来确定编码器的旋转方向。当编码器顺时针旋转时，先出现A信号，而逆时针旋转时则会先出现B信号。此外，还有第三个Z通道（R信号），也就是通常所说的编码器零脉冲，编码器每旋转一圈产生一个（或者多个）信号以提供参考点。在系统回零过程中也可以使用编码器零脉冲。

TTL或者双极性的HTL增量式编码器也有/A、/B和/Z信号，这些是取反A、B 和Z通道输出的信号。电子系统利用对它们的合成分析可以确保通信的正确性。为了降低电噪声，这些差分信号通常通过双绞线成对（A+/A、B+/B、Z+/Z）发送。

图1-2 增量编码器输出信号

作为简要举例，HTL信号产生的过程如图1-3所示。

图1-3 HTL信号产生的过程

HTL/TTL编码器的使用说明：

（1）分辨率

HTL/TTL增量编码器的基本参数是其分辨率。发送到驱动系统的脉冲是由于编码器的机械结构所产生的,编码器内部码盘上的开槽数量直接影响分辨率。当编码器产生的脉冲数越多，测量就越准确，因为旋转位置的较小变化都会产生输出脉冲。增量编码器的分辨率从每转数百个脉冲开始，这样的测量精度通常可以满足感应电机系统的速度反馈需要。

HTL/TTL编码器的分辨率虽然通常是由编码器的码盘槽数直接决定，然而考虑到驱动系统内部电子系统的能力,可以对两个信号（A和B）的上升沿进行评估，这将增加两倍的测量分辨率。使用同样的方法,还可以对A和B信号的上升沿和下降沿进行分析，从而可以将信号的分辨率提高四倍。

（2）数据传输

在使用HTL/TTL增量编码器时，数据通过标准的电信号进行传输（例如RS422标准）。通常有一组电源线（例如 24V、GND、有些还有Remote Sense信号）和最多6根信号线来传输A、B、Z和/A、/B、/Z信号。

HTL/TTL增量编码器常见问题

问题1：编码器反馈异常驱动无法运行，报警堵转错误。

回答：检查编码器接线，发现编码器的A、B、Z信号接线交叉，即Z信号和A或者B信号接反，会导致如下现象，通过调整接线可以解决问题。

问题2：有的编码器除了两个电源端子之外，还有两个接线端子名字叫做Remote Sense，起什么作用？

回答：编码器接在伺服系统上时，可以使用Remote Sense的功能。Remote Sense指编码器的供电电压会根据测量的反馈电压自动调整编码器的供电，此时编码器供电需要接四根线，以保证在使用长的编码器电缆时仍能得到符合编码器需求的供电电压。

问题3：编码器使用端子接线时，屏蔽层如何处理？

回答：以SINAMICS S120的编码器模块SMC30为例，可以使用金属屏蔽连接端子压接屏蔽层。

问题4：编码器电缆的最大长度是多少？？

回答：以SINAMICS S120的编码器模块SMC30为例，编码器电最大长度见下表。

问题5：如何读取编码器的信号状态，比如Z信号？

回答：可以使用p0496参数，设置为23，随后读取r0497参数。同时可以使用p0496进行编码器的多种信号诊断。

1.5.2 SIN/COS 增量编码器

在增量编码器中，有一些更先进的信号数字处理方法。SIN/COS 增量编码器其信号获取方式虽然类似于上一节中描述的电信号，其机械部分保持不变。但是，脉冲信号的处理是有区别的。具体来说，对于SIN/COS 增量编码器，输出信号被转换成一个正弦函数（信号A）和一个余弦函数（信号B），通过分析A/B信号状态的时间变化来进行。在三角函数的一个周期内，对给定的电子系统进行具有采样特性的转换。例如，假设我们有一个带有2048个插槽的光盘的光学增量编码器，A（B）信号2048个脉冲被转换为2048个周期正弦（余弦）函数。

SIN/COS 增量编码器输出正弦/余弦波信号，可以提供很高的分辨率。当编码器传输位置信号时，信号是由两个单独的电信号之间的差形成的。各个信号相互对立，被标记为“+”和“-”。由于电信号彼此相对，信号的干扰振幅将互相抵消，抑制共模噪声。A和B增量信号应满足1Vpp,即信号最大和最小的差值为1V，最大支持的偏差为0.75V到1.2V。

SIN/COS编码器的输出可以是准备在控制系统中处理的脉冲信号或模拟SIN/COS信号，仅在自动化系统侧进行转换。

SIN/COS增量编码器常见问题：

问题1：SIN/COS编码器编码器支持信号的fine resolution（高分辨率或者叫做细分），什么是fine resolution，有什么好处？

回答：这是一个经常会遇到的问题，为了使增量信号的分辨率增加，在原始信号上通过“脉冲四倍频”或者“正切插值”的方法，增加信号的分辨率，对于正余弦编码器信号，使用的是对正余弦信号插值的方法，即把一个周期的正余弦信号细分为更多的位置信号，比如2048个细分信号，如下图所示：

这里有一个需要注意的事情，就是“正切插值”不是可以任意细分的，一般能够达到2的11次方左右，再高的细分由于信号失真等问题会导致数值无法稳定，因此不能设置为更高的细分倍数比如2的14次方这种参数，以进一步增加分辨率。

问题2：正余弦编码器信号的电平如何定义，数值的范围情况如何？

回答:

- UA/B_PP=1 Vpeak-peak,最大波动范围1.2 Vpeak-peak 到0.75 Vpeak-peak

- Udiff=2(UA_PP-UB_PP)/(UA_PP+UB_PP)<=10%

- ΔUA/B_PP<=0.6mV

- Uoff_A/B=2.5V