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西門子6ES7223-1PM22-0XA0
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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(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、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(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，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(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)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(hào)輸出有集電極開路輸出、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(shí)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(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*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(duì)于PNP型的集電極開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*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)抗干擾能力更強(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。