從增量值編碼器到絕對值編碼器

1、從增量值編碼器到絕對值編碼器旋轉增量值編碼器以轉動時輸出脈沖，通過計數(shù)設備來計算其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設備的內部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計數(shù)設備計算并記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產結果出現(xiàn)后才能知道。解決的方法是增加參考點，編碼器每經過參考點，將參考位置修正進計數(shù)設備的記憶位置。在參考點以前，是不能保證位置的準確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點，開機找零等方法。這樣的方法對有些工控項目比較麻煩，甚至不允許開機找零（開機后就要知道準確位置）

2、，于是就有了絕對編碼器的出現(xiàn)。絕對編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線。編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。絕對編碼器由機械位置決定的每個位置是唯一的，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。從單圈絕對值編碼器到多圈絕對值編碼器旋轉單圈絕對值編碼器，以轉動中測量光電碼盤各道刻線，以

3、獲取唯一的編碼，當轉動超過360度時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉范圍360度以內的測量，稱為單圈絕對值編碼器。如果要測量旋轉超過360度范圍，就要用到多圈絕對值編碼器。編碼器生產廠家運用鐘表齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎上再增加圈數(shù)的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復，而無需記憶。多圈編碼器另一個優(yōu)點是由于測量范圍大，實際使用往往富裕較多， 這樣在安裝時不必要費勁找零點， 將某一中間位置作為起始點就

4、可以了，而大大簡化了安裝調試難度。絕對值編碼器長度測量的應用一絕對值旋轉編碼器的機械安裝：絕對值旋轉編碼器的機械安裝有高速端安裝、低速端安裝、輔助機械裝置安裝等多種形式。1 高速端安裝：安裝于動力馬達轉軸端（或齒輪連接），此方法優(yōu)點是分辨率高，由于多圈編碼器有圈，馬達轉動圈數(shù)在此量程范圍內，可充分用足量程而提高分辨率，缺點是運動物體通過減速齒輪后，來回程有齒輪間隙誤差，一般用于單向控制定位。另外編碼器直接安裝于高速端，馬達抖動須較小，不然易損壞編碼器。2 低速端安裝：安裝于減速齒輪后，如卷揚鋼絲繩卷筒的軸端或最后一節(jié)減速齒輪軸端，此方法已無齒輪來回程間隙，測量較直接，精度較高。另外，GPMV0

5、814機械轉數(shù)為90圈，用此方法較合理，如果卷筒轉數(shù)超過90圈，可用1：3或1：4齒輪組調整至轉數(shù)測量范圍內。3 輔助機械安裝，收繩機械安裝：鋼絲繩彈簧收緊器原理圖1 收拉鋼絲繩2 測量盤3 收緊彈簧輪14 收緊彈簧輪25 專用彈簧6 彈性聯(lián)軸器7 編碼器用鋼絲繩收繩器測量油缸行程示意圖收繩機械有彈簧自收繩位移傳感器柔性鋼絲繩連接運動物體，鋼絲繩盤緊在一個測量輪上，依靠恒力彈簧回收鋼絲繩。編碼器連接于盤緊測量輪軸端，測量鋼絲繩來回運動的旋轉角度。重錘重力收繩：重錘浮子水位測量示意圖1編碼器2聯(lián)軸器3測量輪4重錘收緊輪5鋼絲繩6浮子測量輪與恒力彈簧彈簧型相似，只是鋼絲繩的回收力是依靠另一個同軸的

6、盤緊輪掛重錘來回收。用收繩位移測量的優(yōu)點是柔性連接，測量直接而精度高，對運動物體的環(huán)境如震動、粉塵、高溫水氣的場合都能適用。機械絲杠、摩擦輪、小車輪軸中心、齒輪齒條連接在機械絲杠轉軸中心安裝編碼器，絲杠前進1個螺距，編碼器旋轉一周。通過帶摩擦阻力的摩擦轉輪，與相對運動物體摩擦轉動，測量運動距離。注意：摩擦輪需始終緊靠測量物，且無跳動、打滑。（實際使用中，某些場合有難度）通過軌道小車的轉輪中心，安裝旋轉編碼器，測量小車行進。小車與軌道之間不可有打滑運動物連接齒條，帶動裝有齒輪的編碼器，測量運動物體移動距離為保證連緊密抗震，經常有彈簧基座。二絕對值編碼器的信號輸出絕對值編碼器信號輸出有并行輸出、串

7、行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出1 并行輸出：絕對值編碼器輸出的是多位數(shù)碼（格雷碼或純二進制碼），并行輸出就是在接口上有多點高低電平輸出，以代表數(shù)碼的1或0，對于位數(shù)不高的絕對編碼器，一般就直接以此形式輸出數(shù)碼，可直接進入PLC或上位機的I/O接口，輸出即時，連接簡單。但是并行輸出有如下問題：1。必須是格雷碼，因為如是純二進制碼，在數(shù)據(jù)刷新時可能有多位變化，讀數(shù)會在短時間里造成錯碼。2。所有接口必須確保連接好，因為如有個別連接不良點，該點電位始終是0，造成錯碼而無法判斷。3。傳輸距離不能遠，一般在一兩米，對于復雜環(huán)境，最好有隔離。4。對于位數(shù)較多，要許多芯電纜，并要確保連接優(yōu)良，由此帶來工程

8、難度，同樣，對于編碼器，要同時有許多節(jié)點輸出，增加編碼器的故障損壞率。2 串行SSI輸出：串行輸出就是通過約定，在時間上有先后的數(shù)據(jù)輸出，這種約定稱為通訊規(guī)約，其連接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。由于絕對值編碼器好的廠家都是在德國，所以串行輸出大部分是與德國的西門子配套的，如SSI同步串行輸出。SSI接口(RS422模式)，以兩根數(shù)據(jù)線、兩根時鐘線連接，由接收設備向編碼器發(fā)出中斷的時鐘脈沖，絕對的位置值由編碼器與時鐘脈沖同步輸出至接收設備。由接收設備發(fā)出時鐘信號觸發(fā),編碼器從高位(MSB)開始輸出與時鐘信號同步的串行信號,SSI標準的信號當不傳送信號時,時鐘和數(shù)據(jù)

9、位均是高位,在時鐘信號的第一個下降沿,編碼器的當前值開始貯存,從時鐘信號上升沿開始,經T2延遲時間后，編碼器數(shù)據(jù)信號開始傳送.t3為恢復信號,等待下次傳送。 T=0.911us 每個脈沖周期 n為編碼器總位數(shù)t10.45us 每個脈沖半周期t20.4us 數(shù)據(jù)輸出延遲時間t3=1235us 數(shù)據(jù)恢復（熄滅）時間串行輸出連接線少，傳輸距離遠，對于編碼器的保護和可靠性就大大提高了。一般高位數(shù)的絕對編碼器都是用串行輸出的。3 現(xiàn)場總線型輸出現(xiàn)場總線型編碼器是多個編碼器各以一對信號線連接在一起，通過設定地址， 用通訊方式傳輸信號，信號的接收設備只需一個接口，就可以讀多個編碼器信號?？偩€型編碼器信號遵循

10、RS485的物理格式，其信號的編排方式稱為通訊規(guī)約，目前全世界有多個通訊規(guī)約，各有優(yōu)點，還未統(tǒng)一，編碼器常用的通訊規(guī)約有如下幾種：PROFIBUS-DP； CAN； DeviceNet； Interbus等總線型編碼器可以節(jié)省連接線纜、接收設備接口，傳輸距離遠，在多個編碼器集中控制的情況下還可以大大節(jié)省成本。4變送一體型輸出 我公司提供的GPMV0814、GPMV1016絕對編碼器，其信號已經在編碼器內換算后直接變送輸出，其有模擬量420mA輸出、RS485數(shù)字輸出、14位并行輸出。三連接絕對編碼器的電氣二次設備：連接絕對值編碼器的設備可以是可編程控制器PLC、上位機，也可以是專用顯示信號轉換

11、儀表，由儀表再輸出信號給PLC或上位機。1直接進入PLC或上位機：編碼器如果是并行輸出的，可以直接連接PLC或上位機的輸入輸出接點I/O，其信號數(shù)學格式應該是格雷碼。編碼器有多少位就要占用PLC的多少位接點，如果是24伏推挽式輸出，高電平有效為1，低電平為0；如果是集電極開路NPN輸出，則連接的接點也必須是NPN型的，其低電平有效，低電平為1。2編碼器如果是串行輸出的，由于通訊協(xié)議的限制，后接電氣設備必須有對應的接口。例如SSI串行，可連接西門子的S7-300系列的PLC，有SM338等專用模塊，或S7-400的FM451等模塊，對于其他品牌的PLC，往往沒有專用模塊或有模塊也很貴。3編碼器如

12、是總線型輸出，接受設備需配專用的總線模塊，例如PROFIBUS-DP。但是，如選擇總線型輸出編碼器，在編碼器與接收設備PLC中間，就無法加入其他顯示儀表，如需現(xiàn)場顯示，就要從PLC 再轉出信號給與信號匹配的顯示儀表。有些協(xié)議自定義的RS485輸出信號進PLC的RS485接口，需PLC具有智能編程功能。4連接專用顯示轉換儀表：針對較多使用的SSI串行輸出編碼器，我公司提供專用的顯示、信號轉換儀表，由儀表進行內部解碼、計算、顯示、信號轉換輸出，再連接PLC或上位機。其優(yōu)點如下：a.現(xiàn)場可以有直觀的顯示，直接在儀表上設置參數(shù)。b.專用程序讀碼解碼、容錯、內部計算，可以大大減少各個項目的編程工作量，提

13、高穩(wěn)定和可靠性。信號輸出是由內部數(shù)字量直接計算，快速、準確。c.信號輸出有多種形式，靈活方便，后面可連接各種PLC或上位機，通用性強。我公司各類連接SSI編碼器的儀表一覽表：GP1312(C表、標準表)16位并行碼推挽式輸出、420mA兩路模擬量、8個預置位置開關、4位顯示、非線性換算、面板置位等通用功能 GP1312/C2(C2表，雙路糾偏表)雙吊點同步糾偏型 ，16位并行碼推挽式選通輸出，9個預置開關輸出，含雙路超偏糾偏信號， 兩路420mA模擬量輸出，其中一路為差值量輸出。雙4位顯示、非線性換算、面板置位等通用功能GP1312RL(RL表、現(xiàn)場變送表)一路420mA模擬量輸出；一路RS4

14、85輸出。非線性換算，外部置位等GP1312BS（BS表、電子凸輪開關組）八個電子凸輪位置開關，每個開關具有開到位和恢復位，一路420mA模擬量輸出；一路RS485輸出。4位顯示，非線性換算，外部置位等GPMV0814、GPMV1016 三位一體型GPMV0814絕對多圈編碼器，其光電碼盤讀碼解碼、顯示設定、信號轉換三位一體，輸出420mA 模擬量、并行數(shù)字量RS485通訊可同時輸出，連接各類PLC和上位機。一般的應用，可選同時兩組輸出型，一組信號連接PLC，另一組連接顯示儀表，如需要增加開關輸出，可從顯示儀表設定輸出。S7-300沒有現(xiàn)成的轉換功能塊，我使用了富士的SPH編寫了一個功能塊，由

15、于富士的和西門子都支持IEC61131-3編程規(guī)范，那么應該很簡單的轉換為西門子的功能塊。在精確定位控制系統(tǒng)中，為了提高控制精度，準確測量控制對象的位置是十分重要的。目前，測量位置的方法主要有2種，其一是使用位置傳感器，此方法精度高，但是在多路，長距離位置監(jiān)控系統(tǒng)中，由于成本昂貴且安裝困難，因此并不實用。其二是采用光電軸角編碼器進行精確位置控制，光電軸角編碼器根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。而絕對式編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，它是利用自然二進制或循環(huán)二進制（格雷碼）方式進行光電轉換的，編碼的設計一般是采用自然二進制碼、循環(huán)二進制碼、二進制補碼等。特點是不要

16、計數(shù)器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數(shù)字碼；抗干擾能力強，沒用累積誤差；電源切斷后位置信息不會丟失，但分辨率是由二進制的位數(shù)決定的，根據(jù)不同的精度要求，可以選擇不同的分辨率即位數(shù)。目前有10位、11位、12位、13位、14位或更高位等多種。其中采用循環(huán)二進制編碼（即格雷碼）的絕對式編碼器，其輸出信號是一種數(shù)字排序,不是權重碼，每一位沒有確定的大小，不能直接進行比較大小和算術運算，也不能直接轉換成其他信號，要經過一次碼變換，變成自然二進制碼，在由上位機讀取以實現(xiàn)相應的控制。而在碼制變換中有不同的處理方式，本文著重介紹富士SX系列中使用編程的方法對二進制格雷碼與自然二進制碼的互

17、換。一、格雷碼（又叫循環(huán)二進制碼或反射二進制碼）介紹在數(shù)字系統(tǒng)中只能識別0和1，各種數(shù)據(jù)要轉換為二進制代碼才能進行處理，格雷碼是一種無權碼，采用絕對編碼方式，典型格雷碼是一種具有反射特性和循環(huán)特性的單步自補碼，它的循環(huán)、單步特性消除了隨機取數(shù)時出現(xiàn)重大誤差的可能，它的反射、自補特性使得求反非常方便。格雷碼屬于可靠性編碼，是一種錯誤最小化的編碼方式，因為，自然二進制碼可以直接由數(shù)/模轉換器轉換成模擬信號，但某些情況，例如從十進制的3轉換成4時二進制碼的每一位都要變，使數(shù)字電路產生很大的尖峰電流脈沖。而格雷碼則沒有這一缺點，它是一種數(shù)字排序系統(tǒng)，其中的所有相鄰整數(shù)在它們的數(shù)字表示中只有一個數(shù)字不同

18、。它在任意兩個相鄰的數(shù)之間轉換時，只有一個數(shù)位發(fā)生變化。它大大地減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時邏輯的混淆。另外由于最大數(shù)與最小數(shù)之間也僅一個數(shù)不同，故通常又叫格雷反射碼或循環(huán)碼。下表為幾種自然二進制碼與格雷碼的對照表：十進制數(shù)自然二進制格雷碼十進制自然二進制格雷碼000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000二、二進制格雷碼與自然二進制碼的互換

19、1、自然二進制碼轉換成二進制格雷碼自然二進制碼轉換成二進制格雷碼，其法則是保留自然二進制碼的最高位作為格雷碼的最高位，而次高位格雷碼為二進制碼的高位與次高位相異或，而格雷碼其余各位與次高位的求法相類似。例如：自然二進制編碼如下：1001那么轉換為格雷碼的方法是：保留最高位1，然后將第二位0與第一位1做異或操作，第三位的0與第二位的0做異或操作，第四位的1與第三位的0做異或操作，得到結果如下：1101Gray2、二進制格雷碼轉換成自然二進制碼二進制格雷碼轉換成自然二進制碼,其法則是保留格雷碼的最高位作為自然二進制碼的最高位，而次高位自然二進制碼為高位自然二進制碼與次高位格雷碼相異或，而自然二進制

20、碼的其余各位與次高位自然二進制碼的求法相類似。例如將格雷碼1000轉換為自然二進制碼：10001111上排為格雷碼，下排為自然二進制，從左到右分別為14位將上排的第一位高位作為自然二進制的最高位，因此在下排的第一位填入1，然后以上排第二位與下排第一位做異或操作，得到下排第二位結果為1，將上排第三位與下排第二位做異或操作，得到下排第三位的結果為1，同理，下排第四位的結果為1，因此，我們得到了轉換結果如下：1111Bin三、自然二進制碼與格雷碼互換在富士SX系列PLC中的實現(xiàn)方法：1自然二進制碼轉換為格雷碼：根據(jù)自然二進制碼轉換為格雷碼的轉換規(guī)則，實際上就是將轉換數(shù)右移一位后與轉換數(shù)做異或操作。程序流程圖如下：保存輸入數(shù)TEMP將TEMP右移一位，保存SHILETEMP將移位后的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)作異或返回異或后的數(shù)據(jù)功能塊中的程序如下：INPUT輸入變量類型為DWORDTEMP局部變量類型為DWORDSHILETEMP局部變量類型為DWORDBIN_TO_GRAY功能塊返回變量返回類型為DWORDBIN_TO_GRAY:TEMP:=INPUT;SHILETEMP:=SHR_DWORD(TEMP,UNIT#1);BIN_TO_GRAY:=SHILETEMPXORINPUT;2.格雷碼轉換為自然二進制碼根據(jù)格雷碼轉換為自然二進制碼的轉換規(guī)則，實際上就是不斷的將格雷碼與二進制數(shù)做異或操作，