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增量型编码器是怎样工作的?

本文是VIP课程《S7-200 SMART运动控制之步进电机》的第三节。

前面两篇文章我们介绍了步进电机和步进驱动器。我们知道,步进电机本身没有反馈装置,在一些需要精确控制的场合,还需要配合编码器等反馈装置来使用。为了使本教程更贴近实际工程应用,我们的实验装置安装了增量型编码器。这篇文章,我们就来认识下增量型编码器。

本节课程包括如下一些内容:

1、什么编码器?

2、编码器的分类;

3、增量型编码器的结构及工作原理;

4、增量型编码器与PLC的连接;

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1、什么是编码器?

编码器的英文名称为“encoder”,它是一种能把距离(直线位移)和角度(角位移)转换成电信号并输出的传感器。编码器通常用于工业运动控制中需要准确控制位置的场合。比如,机床系统中,用步进电机控制刀具的位置,用编码器对实际位置进行检测并反馈。有了编码器,控制系统就能形成闭环。

下面这张图是欧姆龙增量型编码器E6B2-CWZ6C的实物图:

E6B2-CWZ6C.png

2、编码器的分类

根据工作原理的不同,编码器可分为光电编码器(optical encoder)、磁性编码器(magnetic encoder)、电感式编码器(inductive encoder)和电容式编码(capacitive encoder)等等,使用最多的是光电编码器。

光电编码器(optical encoder)的组成包括:连接轴(Shaft)、码盘(Code disk)、光源(Light Source)、输出电路(Output circuit)及外壳和连接法兰等,如下图:

根据码盘结构的不同,编码器又可以分为增量型编码器和绝对值型编码器。

绝对值型编码器,英文名称"Absolute encoder",输出的是一组二进制数的编码。它的码盘被分成很多同心的通道,每一个通道,称为一个“码道”。每一个码道都有一个单独的输出电路,用来表示一个二进制的位。通过二进制位的组合,就能唯一确定一个数值。绝对值型编码器的码盘如下图所示:

3、增量型编码器的结构及工作原理

增量型编码器,英文名称“Incremental encoder”,它的码盘被分成大小相等的明暗相间的光栅,随着码盘的转动,接收端会检测到光的0和1的变化,并转换成电脉冲信号向外输出。脉冲信号连接到高速计数器模块上,通过对脉冲个数的计数,就能确定位移的大小(因为编码器每转一周发出的脉冲数是固定的)。

增量型编码器的码盘如下图:

上述码盘结构只有1圈光栅,在使用一路光源的情况下只有1路电脉冲信号输出,这往往不能满足实际要求,因为在实际应用中我们往往需要检测电机是正转还是反转,有时候还需要进行零点检测。

要检测正反转,可以有两种方法。

方法一:使用具有1圈光栅的码盘和两个光源。

通过调整码盘光栅的间隔距离及两个光源的位置,使A相信号和B相信号相差1/4周期(相位角差90度),这样就可以通过判断A相信号和B相信号的发生顺序来判断正转还是反转。该方法的示意图如下:

方法二:使用具有2圈光栅的码盘和1个光源。

该方法使用具有2圈光栅的码盘,外圈为A相光栅,内圈为B相光栅,两圈光栅之间间隔1/4宽度,如下图所示:


除了A/B相,在实际应用中,有的编码器还提供零点脉冲信号。零点脉冲信号是在码盘上增加一个同心的光栅孔,每转一圈发出一个脉冲,其输出信号称为Z相(Zero),如下图:

这样,增量型编码器A相/B相/Z相的输出信号如下图所示:

4、增量型编码器与PLC的连接

增量型编码器输出的脉冲信号需要连接到PLC的高速计数器中。有些PLC的CPU模块本身集成了高速计数器(比如,S7-200 SMART、S7-1200系列),可以将编码器的输出信号直接连接到CPU模块集成的高速计数通道中;有的CPU本身没有集成高速计数器(比如S7-300/1500系列),这种情况下需要使用专门的高速计数模块。

好了,关于VIP课程《S7-200 SMART运动控制之步进电机》的第三节就先介绍这么多,如果你对该课程感兴趣,可以点击下面的连接查看课程内容。

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