《本篇文章发表在机械工人2003年第四期》由会员分享，可在线阅读，更多相关《本篇文章发表在机械工人2003年第四期（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本篇文章发表在机械工人2 0 0 3 年第四期 绝对位置测量系统的高速接口 High- Speed Interface for Absolute Position Measuring Systems 作者：Dr.Ing.Rainer Hagl 翻译：李莹 关于作者 Ing. Rainer Hagl 先生为德国 Stuttgart 大学的博士毕业生。1992 加入德国海德 汉公司，现任海德汉公司旋转和角度编码器研发部主管。 位置编码器经常应用于以可编程逻辑控制器（P L C ）为基础的控制系统。这些系统的线路通常设计为点点连 接。当这样的设计要求将位置值快速的传送到 P L C 时，通常需要复杂
2、的电缆配置结构。 图 1 ：旋转编码器的普通通讯结构 现在的流行趋势是通过在 P L C与传动装置及传感器之间使用区域总线结构（如：C A N 、I n t e r b u s - S 、 P r o f i b u s - D P等）来减少电缆的复杂性。与点点结构相比，区域总线传送位置值需要更长的时间。一个带 有几个传动装置及传感器的传送时间通常为一或几个毫秒。由此在控制环中产生的停滞时间是许多应用软 件所不能接受的。同时，一个带有区域总线接口的位置编码器的价格也比较昂贵。因此，带有区域总线接 口的位置编码器的最佳配置是那些控制上要求低或中等，且系统要求区域总线的应用软件。 点点通讯 普通方
3、法 E n D a t 总线结构 数据传输 单向 双向 双向 传输速度 中 高 低 数据安全性 低 高 高 位置编码器价格 低 低 高 电缆成本 高 高 低 表 1 ：不同接口类型的特点 为了快速响应命令，折衷的解决方法是使用分散的输入/ 输出元件或在传感器及传动装置附近使用分散的 P L C 。位置编码器通过非常短的电缆以点点结构的方式连接于分散的 I / O 或 P L C ，缩短了通过区域总线将数 据传送到上一级 P L C的时间。这个解决方案有两个好处：即通过点点结构缩短了传送时间又通过区域总线 减少了长距离传送的电缆。 对于那些时间作为关键因素的应用软件，仍然保持着从编码器到电气控制
4、元件之间的点点通讯。然而，在 现在使用的大多数用于连续同步位置传送的点点结构具有下列缺点： 传送可靠性低， 传送速率低， 无自动参数输入， 无安全监控， 较少的监控及诊断功能， 个别类型为绝对位置测量。 由于新的 E n D a t （编码器数据）接口的发展，H E I D E N H A I N成功开发了适用于所有类型绝对值编码器的从位 置编码器到后继电路通过点点通讯的标准接口，并且避免了上述缺点。 点点通讯的标准化接口 带有 E n d a t接口的位置编码器通过后继电路发送的时钟信号实现双向传送。通过仅四条线，不仅可以传送 位置值并且可以快速可靠地传送参数。通过后继电路发送命令给编码器来
5、确定是传送位置值或参数。 位置值传送（图 2 ）由一个起始位及报警位开始。后面为纯二进制代码的位置值及五个 C R C校验位。报警 位为所有监控功能的综合信息并可用于故障监控。引发报警的具体说明储存于编码器的存储器中并可通过 后继电路读出。 图 2 ：位置值传送开始于一个起始位及一个报警位 编码器有不同的用于通过后继电路读写的存储区（图 3 ） 。操作参数存储区包含可修改数据，O E M或最终用 户可以修改这些参数来匹配电机或机床。O E M参数存储区可自由定义并写保护。编码器制造商参数存储区 包含所有编码器的特殊数据并被写保护。 图 3 ：可通过后继电路读写的存储区 作为一个选项，可以附加传
6、送幅值为 1 V P P 的正弦增量信号。电缆最长为 1 5 0 米。连续数据传送的最大时钟 频率为 2 M H z 。 自动的参数设置 编码器参数包含反应编码器的特定信息，如：编码器类型（单转、多转、线性）、每转测量步距或分辨率。 现在，通常是人工通过控制面板或计算机手工输入这些参数。当然，这种方法要耗费时间并容易导致错误。 带有 E n d a t 接口的编码通过编码器制造商将编码器所有参数存储于一个单独的存储区。这样，就可读出参 数和自动输入参数。 通过维护及维修人员，编码器可以存储两个单独的字，每一个 1 6 位，用来描述导致编码器故障或长时间超 出公差范围的原因。这些字用来区别报警或
7、警告。当出现可能导致编码器输出不正确位置值的故障时，产 生报警。举例来说，如果电源电压太低、光源故障或扫描信号的振幅太低等都会产生报警。 警告仅在超出某些编码器内部的公差极限值时显示。包括最大的电气允许速度、允许的操作温度及来自于 光源控制响应的终止等。 警告不需要显示已经传送的不正确的位置值。只是在必要时要做一些预防性的维护，因此减少了昂贵的系 统的空闲时间。 安全监控的支持 为了减少成本，机床和系统制造商希望取消限位开关。为了系统的安全性，通常需要使用两个位置编码器。 一些机床制造商希望仅使用一个可在静止和相应的高速时都能提供“安全的”位置值的位置编码器。多转 的绝对式编码器即是实现这一要
8、求的一个案例。基本设计原理是该编码器上有一组刻线盘，其中一些刻度 盘与机械齿轮组相连。扫描单独的刻度盘便可以直接通过输入选通门阵列获得逻辑数字位置值。逻辑选通 门避免了各齿轮级之间的不可消除的游隙。位置值通过线性驱动器传输到后续电子设备。在一连串的元件 中任何一个发生故障均能监测出来。 通过一个多转的绝对值编码器的例子来说明如何实现。 可监控的功能可分为三组： 光源 选通门阵列输入端触发，选通门阵列和线行驱动器的输出寄存器变 化。 选通阵列 通过闭环控制监测光源，在允许的控制范围内如果光源未保持则会产生出错信息（图 4 ） 。对编码器来说， 为了监测选通门阵列的输入端施密特触发，选通门的输出寄
9、存器移位和线性驱动器，输出信号端有一定变 化的测试电压施加于施密特触发处。如果输出信号的光电池信号源超出变化极限，系统会产生出错信息。 图 4 ：绝对旋转编码器的安全方法 由于绝对值旋转编码器最高转速可达 1 2 0 0 0 r p m ，必须有快速的动态监控。在这样的时间条件下，对于静态 的编码器目前还不能满足上述的反应速度。 然而，这种功能还是可以实现的：通过冗余监控检测在高速时 通过串行接口传送的绝对位置值、单独的正弦增量信号及动态的代码是否一致。如果扫描信号的位置超出 了规定的公差带，动态代码将输出一个错误信息。 公差受齿轮运动及通过光电池放大的相位角度差影响。由于这些偏差，绝对位置值
10、将不能达到 1 L S B （最 小有效位）的精度。 为了在高转速下接收正确的绝对位置信息，编码器除绝对位置值外还向后继电路传送相序相差 9 0 的两组 增量信号。绝对位置值与增量位置值在其分别定义的“精度范围”内必须一致（如 1 5 0 0 r p m为 1 L S B 、 最高允许速度为 5 0 L S B ）如果超出“精度范围” ，后继电路将中断输出（图 5 ） 。 图 5 ：冗余检查技巧保证高的数据安全性 表 2 列出了不同种类点点接口位置编码器的主要特征。双向 E n d a t 接口的特点首先为短的传送时间及高的 数据传送安全性。与现在广泛使用的单向数据传送不同，它支持安装、监控、
11、故障诊断及安全技术。 同步 异步 普通方法 E n D a t R S - 4 8 5 数据传送 单向 双向 双向 时钟频率 1 0 0 k H z t o 1 M H z 1 0 0 k H z t o 2 M H z 0 . 6 k H z 到 3 8 . 4 k H z ( 6 0 0 到 3 8 , 4 0 0 b a u d ) 电缆长度 1 0 0 m 1 5 0 m 1 0 0 m 电缆线数 1) 4 4 2 传送时间 2) 3) / 时钟频率 最小值: 2 5 s / 1 M H z 5 0 s / 1 M H z 4) 典型: 5 0 s / 5 0 0 k H z 1 0
12、0 s / 5 0 0 k H z 4) 最小值: 2 0 s / 2 M H z 典型: 4 0 s / 1 M H z 最小值: 在3 8 . 4 k B d 速率 下约 3 m s 典型: 在 9 6 0 0 B d 速率 下约 1 1 m s 附加的增量信号 可选择 数据检查方法 无, 双向传送, 校验位 C R C 奇偶位和 C R C 检查的可靠性 无或低 高 低 1)仅适合于绝对位置值的连续传送 2) 包括数据检查 3) 每转测量步距至少 8192、4096 及全部位置值的传送 4) 数据安全性的双重询问 表 2 ：同步和异步点点通讯的特点 位置编码器的不同应用需求 上面描述的特
13、征使 E n d a t接口广泛应用于需要绝对位置值传送的自动控制领域。如机床、纺织机械及印刷 机械等，具有良好位置性能的数字控制环可与正弦增量相结合。通过冗余技巧及绝对值与增量位置值的同 时传送，带有 E n d a t 接口的编码器也可用于要求高安全性的机械，如压力机。 该接口同样适用于对实际值的传送时间要求低的自动控制工作，如金属切割机械。 不管应用软件如何，E n d a t接口在后继电路中始终使用相同的输入硬件。具有相同接口的不同种类的编码 器可满足特殊应用的要求（图 6 ） 。 图 6 ：带有标准 E n d a t接口的单转绝对值编码器、多转绝对值编码器、绝对值角度编码器及绝对值
14、直线光 栅尺 特意为系统制造商及最终用户准备的R O C 4 0 0 和R O Q 4 0 0 系列绝对值旋转编码器与R O D 4 0 0 系列增量编码器具 有相同的安装尺寸。标准形式保护等级为 I P 6 4及 I P 6 7 ，并有单转（R O C 4 1 3 ）及多转（R O Q 4 2 5 ）可选择。 除绝对位置值外还提供幅值为 1 V p p 的正弦增量信号。因此符合上面描述的安全技术，并适用于要求具有高 动态及分辨率的应用软件。 R O C 4 1 3 单转绝对值编码器具有与增量旋转编码器相同的外形尺寸。带有径向法兰插座的多转产品，由于特 殊的扫描结构及高的综合元件仅比单转产品长
15、 7 m m 。带有这些尺寸的单转及多转绝对值编码器也可用于区 域总线系统。编码器的 P r o f i b u s - D P 功能符合 P r o f i b u s 用户组织 P N O （P r o f i b u s - N u t z e r - O r g a n i s a t i o n ） 对于旋转编码器的协议，并支持完整的版本 2 功能。 绝对值旋转编码器 E C N 1 3 1 3 和 E C N 1 3 2 5 适合安装于带有数字式速度控制及自然冷却的驱动器上。它们带有 定子联轴节来补偿电机轴与编码器轴轴向及径向的偏差。旋转编码器的刚性联轴节通过锥型轴与电机轴相 联使
16、控制环具有大的带宽。高达 1 1 5 C ( 2 3 9 F ) 的操作温度允许在特定的额定扭矩下更小的电机尺寸。 由于这些编码器的信号周期为每转 2 0 4 8 或 5 1 2 ，举例来说，通过后继电路对增量信号进行 1 0 2 4 倍细分， 可分别得到测量步距为每转 2 , 0 0 0 , 0 0 0 或 5 0 0 , 0 0 0 。电机制造商在电机上安装编码器并通过 E n d a t 接口对 电机电动势进行编程。这消除了调整时间。 通过刻度的特殊设计及在扫描过程的其他设计措施，由于后继电路对正弦增量信号的细分导致在一个信 号周期内的偏差小于信号周期的1 % 。这意味着如果信号周期为 2 0 4 8 ，在一个信号周期内的位置偏差（细 分导致的误差）小于7 “ 。相同的，如信号周期为 5 1 2 ，位置偏差为2 6 “ 。由后继电路对正弦信号细分产 生的位置偏差在高操作温度时保持不变。这使带有数字速度控制的驱动器在特定的操作温度范围内实现低 速波动高控制带宽成为可能。 R
