【编码器应用】第一节-编码器从从原理到应用详解
概述：
本文内容为常用电机编码器概览，将为您重点介绍编码器大致分类，以及增量编码器与西门子设备的配置连接方式。
- 编码器简介
编码器是利用LED光源发出的透射光对码盘进行光电扫描，光电元件接收编码器轴旋转时产生的明暗交替变化，将电机轴的转速和位置转化为电信号反馈给PLC或者驱动控制单元的传感器。
控制系统接收电机反馈信号，从而形成闭环控制，提高伺服器和变频器的运动控制精度。
1.1 绝对编码器与增量编码器
编码器按照功能分类，通常可以分为增量式编码器和绝对式编码器：
- 绝对编码器: 绝对编码器中的光电码盘上有若干道刻线，输出电路通过读取透过每一道刻线光源的明暗输出一组二进制编码，在编码器每一个角度位置上就会有一组唯一对应的编码。当系统断电时，绝对编码器仍能保存轴所在位置，不需要回零。绝对编码器可细分为单圈绝对值编码器和多圈绝对值编码器。单圈绝对值编码器只能保存一个旋转360°内的位置，而多圈绝对值编码器可以保存测量范围内若干圈的位置。
- 增量编码器：增量编码器则是当电机轴旋转时会发出一连串连续的脉冲信号进行增量计算，从而获得轴的位置和速度。增量编码器中的光电码盘上两道环形刻度A、B、A和B刻度轨道有90°，即1/4个周期的相位差，编码器从而判断编码器正向和方向旋转，另外每一圈中有一个零点脉冲Z，使得编码器回零，用以修正增量编码器每一圈的累计误差。增量编码器输出信号多为六通道差分A/`A ， B/`B，Z/`Z，HTL或者TTL脉冲。
- 图1.1
1.2 编码器机械结构
编码器按照旋转机构可以分为实心编码器、盲孔编码器和通孔编码器
。
图1-1 实心编码器（西门子增量编码器6FX2001-4DC50）
图1-2 盲孔编码器（欧姆龙E6H-C）
图1-3 通孔编码器（DFS60A）
- 编码器连接方式
在西门子运动控制产品，电机编码器可以通过多种接口（9芯和15芯SUB-D，端子）和多种系统部件（PLC工艺模块、CPU、驱动器控制单元CU和控制单元适配器CUA）连接，发送编码器测量的电机轴运动信号。
常见编码器装配方式
-
- 编码器连接PLC
- 编码器可以采用PN通讯，直接和S7-1500的CPU相连接
- HTL增量编码器通过端子与工艺模块计数器（TM Counter）
- 编码器电源：TM Counter可以提供24V DC 电源
- 支持编码器信号：接收A/B通道和Z回零脉冲的HTL/TTL信号
图2-1 S7-1500 标准型PLC TM Conter
图2-2 S7-1500 分布式PLC TM Conter
- RS 422（TTL）或SSI绝对值编码器通过接口与工艺模块位置检测（TM PosInput）连接
- 编码器电源：TM PosInput可以提供5V或24V编码器电源
- 支持编码器信号：A/B通道和Z零脉冲RS 422或者TTL信号；SSI的Data和时钟Clock符号RS 422信号
图2-3 S7-1500 标准型PLC TM PosInput
图2-4 S7-1500 分布式PLC TM PosInput
- 与S7-1200C CPU 的高速计数器（HSC）端口连接
- 编码器电源：可以提供24V DC
- 支持编码器信号：有相位差的A/B 通道信号
图2-5 S7-1200 SIMATIC S7-1215C DC
- 与S7-1500C 的集成式高速计数器（HSC）端口连接
- 编码器电源：24V DC
- 支持编码器信号：A/B 通道和Z零脉冲的HTL信号
图2-6 S7-1500 SIMATIC S7-1511C
- 与S7-1200 SMART 通过高速计数器（HSC）端口连接
- 编码器电源：24V DC
- 支持编码器信号：A/B 通道和Z零脉冲信号
图2-7 S7-200 SMART CR40s
图2-8 编码器与PLC连接拓扑
2.2 编码器连接驱动器
（a）编码器与SINAMICS S120 的控制单元CU310-2 上的15芯SUB-D接口连接
- 编码器电源：CU310-2可以提供24V或者5V DC
- 支持编码器：HTL/TTL/绝对SSI的RS 422差分编码器
图2-9 SINAMICS 控制单元 S120 CU310-2 PN
（b）SSI/HTL/TTL编码器与SINAMICS G120控制单元CU250s-2通过15芯SUB-D接口连接，24VHTL编码器可以通过端子连接。CU250S-2可以提供24V电源
- 编码器电源：5V/24V（15芯SUB-D接口）24V（端子）
- 支持编码器：HTL/TTL、绝对值SSI的RS 422差分编码器（15芯SUB-D接口）HTL编码器（端子）
图2-10 SINAMICS 控制单元 G120 CU250S-2 PN
（c）SSI/HTL/TTL编码器可以与SINAMICS控制单元适配器CUA32上的15芯SUB-D接口连接
图2-11 控制单元 适配器 CUA32
（d）SSI/HTL/TTL编码器与SINAMICS编码器模块SMC30上的15芯SUB-D接口连接
- 编码器电源：SMC30可以提供24V或5V DC
- 支持编码器：HTL/TTL/绝对SSI的RS 422差分编码器（15芯SUB-D接口）24VHTL增量编码器（端子）
图2-12 编码器模块SMC30
图2-13 编码器与驱动连接拓扑
2.3 编码器信号仿真
编码器与SINAMICS或者SINAMIC PLC是点到点通讯，当系统重第三方设备运行需要编码器信号时，SINAMICS驱动和SINAMIC PLC可以仿真编码器信号
- PLC通过背板总线连接脉冲工艺模块PTO端子发送仿真编码器信号，TM PTO可以输出24V HTL /5V TTL脉冲信号
图2-14 S7-1500工艺模块 TM PTO
图2-15 PLC仿真编码器信号并发送给第三方设备
- 驱动将Drive-CliQ编码器通过端子模块TM41上的9芯SUB-D，发送仿真TTL(RS422)编码器A/B和Z零脉冲的差分信号给第三方设备
图2-15 驱动器端子模块TM41
图2-16 SINAMICS 端子模块TM41仿真编码器信号传输到第三方
- S7-200 SMART 可以通过脉冲输出PTO向第三方设备或者上级控制器
图2-17 S7=200 SMART 通过PTO端口仿真编码器信号
下期预告
下期介绍 HTL/TTL 增量编码器，敬请期待