什么是編碼器？編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

編碼器是集光、機、電技術于一體的數字化傳感器，主要利用光柵衍射的原理來實現位移與數字變換，通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量。

編碼器以其結構簡單、精度高、壽命長等特點，廣泛應用于定位、測速和定長等場合。

編碼器按工作原理的不同，可以分為增量式編碼器和絕對式編碼器。

1. 增量式編碼器

增量式編碼器提供了一種對連續位移量離散化、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是每產生一個增量位移就對應于一個輸出脈沖信號。增量式編碼器測量的是相對于某個基準點的相對位置增量，而不能夠直接檢測出絕對位置信息。

增量式編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉換電路組成。在碼盤上刻有節距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期。檢測光柵上刻有A、B 兩組與碼盤相對應的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線，它們的節距和碼盤上的節距相等，并且兩組透光縫隙錯開1/4 節距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差 90°。當碼盤隨著被測轉軸轉動時，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差 90°的近似于正弦波的電信號，正弦波經過轉換電路的信號處理，會得到矩形波，進而就可以得到被測軸的轉角或速度信息。? ??

增量式編碼器組成部件及原理

一般來說，增量式光電編碼器輸出 A、B ?兩相相位差為 90°的脈沖信號（即所謂的兩相正交輸出信號），根據 A、B 兩相的先后位置關系，可以方便地判斷出編碼器的旋轉方向。另外，碼盤一般還提供用作參考零位的 Z 相標志脈沖信號，碼盤每旋轉一周，會發出一個零位標志信號。

增量式編碼器輸出信號

2. 絕對式編碼器

絕對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，絕對式編碼器用不同的數字碼來表示每個不同的增量位置，它是一種直接輸出數字量的傳感器。

絕對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相間組成，相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系，碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數。在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件。當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進制數。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 n 位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有 n條碼道。

絕對式編碼器原理圖

根據編碼方式的不同，絕對式編碼器的碼盤分為兩種形式，分別為二進制碼盤和格雷碼盤。

絕對式編碼器碼盤

絕對式編碼器的特點是不需要計數器，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字碼，即直接讀出角度坐標的絕對值。另外，相對于增量式編碼器，絕對式編碼器不存在累積誤差，并且當電源切除后位置信息也不會丟失。

3.? 編碼器輸出信號類型

編碼器的信號輸出有集電極開路輸出、電壓輸出、線驅動輸出和推挽式等多種信號輸出形式。

（1）集電極開路輸出式

集電極開路輸出式以輸出電路的晶體管發射極作為公共端，并且集電極懸空的輸出電路。根據使用的晶體管類型不同，可以分為NPN集電極開路輸出式和PNP集電極開路輸出式兩種形式。

NPN?集電極開路輸出式

PNP集電極開路輸出式

（2）電壓輸出式

電壓輸出式是在集電極開路輸出電路的基礎上，在電源和集電極之間接了一個上拉電阻，這樣就使得集電極和電源之間能有了一個穩定的電壓狀態。一般在編碼器供電電壓和信號接受裝置的電壓一致的情況下使用這種類型的輸出電路。

電壓輸出型

（3）推挽式

推挽式輸出方式由兩個分別為 PNP 型和 NPN 型的三極管組成。當其中一個三極管導通時，另外一個三極管則關斷，兩個輸出晶體管交互進行動作。

推挽式輸出

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、輸出信號相位相同且頻率范圍寬，因此它還適用于長距離傳輸。

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。

（4）?線驅動輸出式

線驅動輸出接口采用了專用的 IC芯片，輸出信號符合RS-422 標準，以差分的形式輸出，因此線驅動輸出信號抗干擾能力更強，可以應用于高速、長距離數據傳輸的場合，同時還具有響應速度快和抗噪聲性能強的特點。

線驅動輸出式

需要說明的是，除了上面所列的幾種編碼器輸出的接口類型外，現在好多廠家生產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的總線網絡，通過通信的方式讀出實際的計數值或測量值，這里不做說明。

4. 編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

（1）PNP輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

PNP輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC接線時，按漏型輸入接法。

PNP輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

（2）NPN輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

NPN輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC接線時，按源型輸入接法。

NPN輸出型編碼器與S7-200 SMART PLC的接線

5. 增量式編碼器的選型

在增量式編碼器選型時，可以綜合考慮以下幾個參數。

（1）電源電壓

電源電壓是指編碼器外接供電電源的電壓，一般為直流 5～24V。

（2）分辨率

分辨率是指編碼器旋轉一圈輸出的脈沖數，工程中一般稱輸出多少線。編碼器廠家在生產編碼器時，通常也會將同一型號的產品分成不同的分辨率。分辨率一般在 10～10000線之間，當然了，也有分辨率更高的產品。

（3）最高響應頻率

最高響應頻率是指編碼器輸出脈沖的最大頻率。常見的最高響應頻率有50kHz和100kHz。

（4）最高響應轉速

最高響應轉速是指編碼器運行的最大轉速，它取決于編碼器的分辨率和最高響應頻率。最高響應轉速的計算公式如下：

（5）輸出信號類型

輸出信號有集電極開路輸出、電壓輸出、線驅動輸出和推挽式等多種信號輸出形式，詳見“3.編碼器輸出信號類型”。

（6）輸出信號方式

編碼器的輸出信號方式有三種，分別為單脈沖輸出型、A/B/Z三相脈沖輸出型和差動線性驅動脈沖輸出型。其中以A/B相脈沖輸出最為常用。

1) 單脈沖輸出型。單脈沖輸出是指輸出1個占空比為50%脈沖波形。單脈沖輸出分辨率較低，常用于轉速測量和脈沖計數等場合。

單脈沖輸出型

2) A/B/Z三相脈沖輸出型。A/B/Z三相脈沖輸出是增量式編碼器最常用的輸出信號方式。其中可以由A/B相脈沖相位的超前和滯后關系，來判斷增量式編碼器是正轉還是反轉。如果從增量式編碼器的軸側看，編碼器順時針旋轉即正轉，波形是A相脈沖在相位上超前B相脈沖90°，如下圖a所示；如果從增量式編碼器的軸側看，編碼器逆時針旋轉即反轉，波形是A相脈沖在相位上滯后B相脈沖90°，如下圖b所示；Z相脈沖為零位標志脈沖，編碼器每轉1圈發出1個脈沖。

A/B/Z三相脈沖輸出型

3) 差動線性驅動脈沖輸出型。差動線性驅動脈沖輸出型為一對互為反相的脈沖信號。這種輸出信號由于取消了信號地線，對以共模出現的干擾信號有很強的抗干擾能力。工業環境中，因其能傳輸更遠的距離有更為廣泛的應用。

差動線性驅動脈沖輸出型

作者：韓相爭

長期從事自動化工程設計和技術研究，取得發明和實用新型專利多項，近年來著工控類書籍多部，如《徹底學會S7-200 SMART PLC》《西門子PLC、觸摸屏、變頻器、組態軟件一本通》《西門子S7-200 SMART PLC編程技巧與案例》《三菱FX系列PLC編程速成全圖解》等，兩部圖書獲中國石油化工聯合會優秀出版物一、二等獎，其作品以圖文并茂和實用性廣受讀者好評，長居PLC排行榜前列。

編輯：黃飛

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