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　1 編碼器基礎(chǔ) 1.1光電編碼器

　　編碼器是傳感器的一種，主要用來檢測機械運動的速度、位置、角度、距離和計數(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、式編碼器和混合式編碼器。

　　光電編碼器是集光、機、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現(xiàn)位移——數(shù)字變換，通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(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，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SIMATIC S7系列高速計數(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是每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應(yīng)于一個增量位移，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基準(zhǔn)點的相對位置增量，而不能夠直接檢測出位置信息。

　　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(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，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)出一個零位標(biāo)志信號。

　　圖1-2 增量式編碼器輸出信號

　　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)碼來指示每個不同的增量位置，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，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，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 式編碼器碼盤

　　式編碼器的特點是不需要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個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)的值。另外，相對于增量式編碼器，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，因為矩形波輸出信號容易進(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，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*的情況下可以使用這種類型的輸出電路。

　　圖2-1 NPN 集電極開路輸出

　　圖2-2 PNP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2-3 PNP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2-4 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路輸出電路的基礎(chǔ)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(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*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(dāng)其中一個三極管導(dǎo)通時，另外一個三極管則關(guān)斷，兩個輸出晶體管交互進(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，可以應(yīng)用于高速、長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊希瑫r還具有響應(yīng)速度快和抗噪聲性能強的特點。

　　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際的計數(shù)值或測量值，這里不做說明。