1 编码器基础1.1光电编码器编码器是传感器的一种，主要用来检测机械运动的速度、位置、角度、距离和计数等，许多马达 控制均需配备编码器以供马达控制器作为换相、速度及位置的检出等，应用范围相当广泛按照 不同的分类方法，编码器可以分为以下几种类型：> 根据检测原理，可分为光学式、磁电式、感应式和电容式> 根据输出信号形式，可以分为模拟量编码器、数字量编码器> 根据编码器方式，分为增量式编码器、绝对式编码器和混合式编码器光电编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，主要利用光栅衍射的原理来实现位移— —数字变换，通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器典型的 光电编码器由码盘、检测光栅、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部 件等组成光电编码器具有结构简单、精度高、寿命长等优点，广泛应用于精密定位、速度、长 度、加速度、振动等方面这里我们主要介绍SIMATIC S7系列高速计数产品普遍支持的增量式编码器和绝对式编码器1.2增量式编码器增量式编码器提供了一种对连续位移量离散化、增量化以及位移变化（速度）的传感方法增量 式编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，它能够产生与位移增量等值 的脉冲信号。
增量式编码器测量的是相对于某个基准点的相对位置增量，而不能够直接检测出绝 对位置信息如图1-1 所示，增量式编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成在 码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期检测光栅上 刻有 A、 B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线，它 们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号 在相位上相差 90°当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的 透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差 90°的近似于正弦波的电信 号，电信号经过转换电路的信号处理，就可以得到被测轴的转角或速度信息光源 码盘捡测光栅」器翠"转按电路图1-1增量式编码器原理图一般来说，增量式光电编码器输出A、B两相相位差为90°的脉冲信号（即所谓的两相正交输 出信号），根据A、B两相的先后位置关系，可以方便地判断出编码器的旋转方向另外，码 盘一般还提供用作参考零位的N相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，会发出一个零位 标志信号。
1/4F 图1-2增量式编码器输出信号0買盹1・3绝对式编码器绝对式编码器的原理及组成部件与增量式编码器基本相同，与增量式编码器不同的是，绝对式编码器用不同的数码来指示每个不同的增量位置，它是一种直接输出数字量的传感器吸光兀代发光兀件risfaM图1-3绝对式编码器原理图 如图1-3所示，绝对式编码器的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条码道上由透光和不透光 的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位 数在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件当码盘处于不同位置时，各光敏 元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数显然，码道越多，分辨率就越高， 对于一个具有n位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有n条码道根据编码方式的不同，绝对式编码器的两种类型码盘（二进制码盘和格雷码码盘），如图1-4所 示0迟U刖业(Lift G1制GJ枕迥CU感哥码fit图1-4绝对式编码器码盘绝对式编码器的特点是不需要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的 数字码，即直接读出角度坐标的绝对值另外，相对于增量式编码器，绝对式编码器不存在累积 误差，并且当电源切除后位置信息也不会丢失。
二进制码和格雷码的区别，格雷码如何转换成二进制码2编码器输出信号类型一般情况下，从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不规则，不能直接用于控制、 信号处理和远距离传输，所以在编码器内还需要对信号进行放大、整形等处理经过处理的输出 信号一般近似于正弦波（电流或电压），或矩形波（TTL、HTL），因为矩形波输出信号容易进行数 字处理，所以在控制系统中应用比较广泛增量式光电编码器的信号输出有集电极开路输出、电压输出、线驱动输出和推挽式输出等多种信 号形式2.1集电极开路输出集电极开路输出是以输出电路的晶体管发射极作为公共端，并且集电极悬空的输出电路根据使 用的晶体管类型不同，可以分为NPN集电极开路输出（也称作漏型输出，当逻辑1时输出电压 为0V,如图2-1所示）和PNP集电极开路输出（也称作源型输出，当逻辑1时，输出电压为电源电压，如图2-2所示）两种形式在编码器供电电压和信号接受装置的电压不一致的情况下Vcc 输出信号0V图2-1 NPN集电极开路输出 1 £PNP /Vcc输出信号0V图2-2 PNP集电极开路输出对于PNP型的集电极开路输出的编码器信号，可以接入到漏型输入的模块中，具体的接线原理 如图2-3所示。
注意：PNP型的集电极开路输出的编码器信号不能直接接入源型输入的模块中图2-3 PNP型输出的接线原理对于NPN型的集电极开路输出的编码器信号，可以接入到源型输入的模块中，具体的接线原理 如图2-4所示注意：NPN型的集电极开路输出的编码器信号不能直接接入漏型输入的模块中图2-4 NPN型输出的接线原理2.2电压输出型电压输出是在集电极开路输出电路的基础上，在电源和集电极之间接了一个上拉电阻，这样就使 得集电极和电源之间能有了一个稳定的电压状态，如图2-5一般在编码器供电电压和信号接受 装置的电压一致的情况下使用这种类型的输出电路Vcc输出信号□V图2-5电压输出型2.3推挽式输出又叫推拉式输出NPN电压输出线路的主要局限性是因为它们使用了电阻，在晶体管关闭时表现出比晶体管高得多的阻抗，为克服些这缺点，在推挽式线路中额外接入了另一个晶体管，这样无论是正方向还是零方向变换，输出都是低阻抗推挽式线路提高了频率与特性，有利于更长的线路数据传输，即使是高速率时也是如此信号饱和的电平仍然保持较低，但与上述的逻辑相比，有时较高任何 情况下推挽式线路也都可应用于NPN或PNP线路的接收器推挽式输出方式由两个分别为PNP型和NPN型的三极管组成，如图2-6所示。
当其中一个三 极管导通时，另外一个三极管则关断，两个输出晶体管交互进行动作这种输出形式具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此在低阻抗情况下它也可以提供大范围的电源 由于输入、输出信号相位相同且频率范围宽，因此它还适用于长距离传输推挽式输出电路可以直接与NPN和PNP集电极开路输入的电路连接，即可以接入源型或漏Vcc□V输出信号2.4线驱动输出如图2-7所示，线驱动输出接口采用了专用的IC芯片，输出信号符合RS-422标准，以差分 的形式输出，因此线驱动输出信号抗干扰能力更强，可以应用于高速、长距离数据传输的场合,同时还具有响应速度快和抗噪声性能强的特点^GC输出信号反*专输岀0V图2-7线驱动输出此外，总线驱动器的发送和接收都是以差动方式进行的，或者说互补的发送通道上 是电压的差因此对共模干扰它不是第三者，这种传送方式在采用DC5V系统时可 认为与RS422兼容；在特殊芯片时，电源可达DC24V,可以在恶劣的条件（电缆长, 干扰强烈等）下使用说明：除了上面所列的几种编码器输出的接口类型外，现在好多厂家生产的编码器还具有智能通信接口，比如PROFIBUS总线、CAN总线接口等这种类型的编码器可以直接接入相应的总线网络，通过通信的方式读出实际的计数值或测量值，这里不做说明。
3 高速计数模块与编码器的兼容性高速计数模块主要用于评估接入模块的各种脉冲信号，用于对编码器输出的脉冲信号进行计数和测量等西门子SIMATIC S7的全系列产品都有支持高速计数功能的模块，可以适应于各种不 同场合的应用根据产品功能的不同，每种产品高速计数功能所支持的输入信号类型也各不相同，在系统设计或产品选型时要特别注意下表3-1给出了西门子高速计数产品与编码器的兼容性信息，供选型时 参考表 3-1 高速计数产品与编码器的兼容性SIMATIC S7系列产品增量型编码器绝对值 编码器24V PNP24VNPN24V推挽式5V差分SSIS7-200 /CPU集成的VVV——S7-200 SmartHSCS7-1200CPU集成的VVV——HSCS7-300CPU31xC 集成V—V——的HSCFM350-1VVVV—4 编码器使用的常见问题4.1 编码器选型时要考虑哪些参数在编码器选型时，可以综合考虑以下几个参数：> 编码器类型：根据应用场合和控制要求确定选用增量型编码器还是绝对型编码器> 输出信号类型：对于增量型编码根据需要确定输出接口类型（源型、漏型）> 信号电压等级：确认信号的电压等级（DC24V、DC5V等）。
> 最大输出频率：根据应用场合和需求确认最大输出频率及分辨率、位数等参数> 安装方式、外形尺寸：综合考虑安装空间、机械强度、轴的状态、外观规格、机械寿命等要求4.2 如何判断编码器的好坏 可以通过以下几种方法判断编码器的好坏：> 将编码器接入PLC的高速计数模块，通过读取实际脉冲个数或码值来判断编码器输出 是否正确> 通过示波器查看编码器输出波形，根据实际的输出波形来判断编码器是否正常> 通过万用表的电压档来测量编码器输出信号电压来判断编码器是否正常,具体操作方法如下：1 ）编码器为NPN晶体管输出时，用万用表测量电源正极和信号输出线之间的电压• 导通时输出电压接近供电电压• 关断时输出电压接近 0V2 ）编码器为PNP晶体管输出时，用万用表测量测量电源负极和信号输出线之间的电压• 导通时输出电压接近供电电压• 关断时输出电压接近 0V4.3 计数不准确的原因及相应的避免措施 在实际应用中，导致计数或测量不准确的原因很多，其中主要应注意以下几点：> 编码器安装的现场环境有抖动，编码器和电机轴之间有松动，没有固定紧> 旋转速度过快，超出编码器的最高响应频率> 编码器的脉冲输出频率大于计数器输入脉冲最高频率。
> 信号传输过程中受到干扰针对以上问题的避免措施：> 检查编码器的机械安装，是否打滑、跳齿、齿轮齿隙是否过大等> 计算一下最高脉冲频率，是否接近或超过了极限值> 确保高速计数模块能够接收的最大脉冲频率大于编码器的脉冲输出频率> 检查信号线是否过长，是否使用屏蔽双绞线，按要求做好接地，并采取必要抗干扰措施4.4空闲的编码器信号线该如何处理在实际的应用中，可能会遇到不需要或者模块不支持的信号线，例如：> 对于带零位信号的AB正交编码器（A、B、N）,模块不支持N相输入或者不需要Z 信号> 对于差分输出信号（A、/A，B、/B，N、/N），模块不支持反向信号（/A, /B, /N）的输入对于这些信号线，不需要特殊的处理，可以直接放弃不用！4.5增量信号多重倍频能否提高计数频。