西门子PLC与编码器使用.docx
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西门子PLC与编码器使用.docx
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西门子PLC与编码器使用
应用于高速计数模块得编码器基础
1 编码器基础
1、1光电编码器
编码器就是传感器得一种,主要用来检测机械运动得速度、位置、角度、距离与计数等,许多马达控制均需配备编码器以供马达控制器作为换相、速度及位置得检出等,应用范围相当广泛。
按照不同得分类方法,编码器可以分为以下几种类型:
Ø 根据检测原理,可分为光学式、磁电式、感应式与电容式。
Ø 根据输出信号形式,可以分为模拟量编码器、数字量编码器。
Ø 根据编码器方式,分为增量式编码器、绝对式编码器与混合式编码器。
光电编码器就是集光、机、电技术于一体得数字化传感器,主要利用光栅衍射得原理来实现位移——数字变换,通过光电转换将输出轴上得机械几何位移量转换成脉冲或数字量得传感器。
典型得光电编码器由码盘、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SIMATICS7系列高速计数产品普遍支持得增量式编码器与绝对式编码器。
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)得传感方法。
增量式编码器得特点就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得脉冲信号。
增量式编码器测量得就是相对于某个基准点得相对位置增量,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、光电检测器件与转换电路组成。
在码盘上刻有节距相等得辐射状透光缝隙,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 两组与码盘相对应得透光缝隙,用以通过或阻挡光源与光电检测器件之间得光线,它们得节距与码盘上得节距相等,并且两组透光缝隙错开1/4 节距,使得光电检测器件输出得信号在相位上相差 90°。
当码盘随着被测转轴转动时,检测光栅不动,光线透过码盘与检测光栅上得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°得近似于正弦波得电信号,电信号经过转换电路得信号处理,就可以得到被测轴得转角或速度信息。
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°得脉冲信号(即所谓得两相正交输出信号),根据 A、B 两相得先后位置关系,可以方便地判断出编码器得旋转方向。
另外,码盘一般还提供用作参考零位得 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。
图1-2 增量式编码器输出信号
1、3绝对式编码器
绝对式编码器得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得就是,绝对式编码器用不同得数码来指示每个不同得增量位置,它就是一种直接输出数字量得传感器。
图1-3绝对式编码器原理图
如图1-3所示,绝对式编码器得圆形码盘上沿径向有若干同心码道,每条码道上由透光与不透光得扇形区相间组成,相邻码道得扇区数目就是双倍关系,码盘上得码道数就就是它得二进制数码得位数。
在码盘得一侧就是光源,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得电平信号,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 位二进制分辨率得编码器,其码盘必须有 n 条码道。
根据编码方式得不同,绝对式编码器得两种类型码盘(二进制码盘与格雷码码盘),如图1-4 所示。
图1-4 绝对式编码器码盘
绝对式编码器得特点就是不需要计数器,在转轴得任意位置都可读出一个固定得与位置相对应得数字码,即直接读出角度坐标得绝对值。
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。
2 编码器输出信号类型
一般情况下,从编码器得光电检测器件获取得信号电平较低,波形也不规则,不能直接用于控制、信号处理与远距离传输,所以在编码器内还需要对信号进行放大、整形等处理。
经过处理得输出信号一般近似于正弦波或矩形波,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。
增量式光电编码器得信号输出有集电极开路输出、电压输出、线驱动输出与推挽式输出等多种信号形式。
2、1集电极开路输出
集电极开路输出就是以输出电路得晶体管发射极作为公共端,并且集电极悬空得输出电路。
根据使用得晶体管类型不同,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)与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。
在编码器供电电压与信号接受装置得电压不一致得情况下可以使用这种类型得输出电路。
图2-1NPN 集电极开路输出
图2-2PNP集电极开路输出
对于PNP型得集电极开路输出得编码器信号,可以接入到漏型输入得模块中,具体得接线原理如图2-3所示。
注意:
PNP型得集电极开路输出得编码器信号不能直接接入源型输入得模块中。
图2-3PNP型输出得接线原理
对于NPN型得集电极开路输出得编码器信号,可以接入到源型输入得模块中,具体得接线原理如图2-4所示。
注意:
NPN型得集电极开路输出得编码器信号不能直接接入漏型输入得模块中。
图2-4NPN型输出得接线原理
2、2 电压输出型
电压输出就是在集电极开路输出电路得基础上,在电源与集电极之间接了一个上拉电阻,这样就使得集电极与电源之间能有了一个稳定得电压状态,如图2-5。
一般在编码器供电电压与信号接受装置得电压一致得情况下使用这种类型得输出电路。
图2-5 电压输出型
2、3 推挽式输出
推挽式输出方式由两个分别为 PNP 型与 NPN 型得三极管组成,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与低输出阻抗,因此在低阻抗情况下它也可以提供大范围得电源。
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 与 PNP 集电极开路输入得电路连接,即可以接入源型或漏型输入得模块中。
图2-6 推挽式输出
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得 IC 芯片,输出信号符合RS-422 标准,以差分得形式输出,因此线驱动输出信号抗干扰能力更强,可以应用于高速、长距离数据传输得场合,同时还具有响应速度快与抗噪声性能强得特点。
图2-7 线驱动输出
说明:
除了上面所列得几种编码器输出得接口类型外,现在好多厂家生产得编码器还具有智能通信接口,比如PROFIBUS总线接口。
这种类型得编码器可以直接接入相应得总线网络,通过通信得方式读出实际得计数值或测量值,这里不做说明。
3 高速计数模块与编码器得兼容性
高速计数模块主要用于评估接入模块得各种脉冲信号,用于对编码器输出得脉冲信号进行计数与测量等。
西门子SIMATIC S7得全系列产品都有支持高速计数功能得模块,可以适应于各种不同场合得应用。
根据产品功能得不同,每种产品高速计数功能所支持得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得兼容性信息,供选型时参考。
表3-1 高速计数产品与编码器得兼容性
SIMATICS7 系列产品
增量型编码器
绝对值
编码器
24VPNP
24VNPN
24V推挽式
5V 差分
SSI
S7-200/
S7-200Smart
CPU 集成得HSC
√
√
√
-
-
S7-1200
CPU 集成得HSC
√
√
√
-
-
S7-300
CPU31xC 集成得 HSC
√
-
√
-
-
FM350-1
√
√
√
√
-
FM350-2
√
-
√
-
-
SM338
-
-
-
-
√
S7-400
FM450-1
√
√
√
√
-
ET200S
1Count24V
√
√
√
-
-
1Count5V
-
-
-
√
-
1SSI
-
-
-
-
√
S7-1500
TMCount2x24V
√
√
-
-
TMPosInput2
-
-
-
√
√
ET200SP
TMCount1x24V
√
√
√
-
-
TMPosInput1
-
-
-
√
√
√兼容; - 不兼容
4 编码器使用得常见问题
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:
Ø 编码器类型:
根据应用场合与控制要求确定选用增量型编码器还就是绝对性编码器。
Ø 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)。
Ø 信号电压等级:
确认信号得电压等级(DC24V、DC5V等)。
Ø 最大输出频率:
根据应用场合与需求确认最大输出频率及分辨率、位数等参数。
Ø 安装方式、外形尺寸:
综合考虑安装空间、机械强度、轴得状态、外观规格、机械寿命等要求。
4、2 如何判断编码器得好坏
可以通过以下几种方法判断编码器得好坏:
Ø 将编码器接入 PLC得高速计数模块,通过读取实际脉冲个数或码值来判断编码器输出就是否正确。
Ø 通过示波器查瞧编码器输出波形,根据实际得输出波形来判断编码器就是否正常。
Ø 通过万用表得电压档来测量编码器输出信号电压来判断编码器就是否正常,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与信号输出线之间得电压
∙ 导通时输出电压接近供电电压
∙ 关断时输出电压接近 0V
2)编码器为PNP晶体管输出时,用万用表测量测量电源负极与信号输出线之间得电压
∙ 导通时输出电压接近供电电压
∙ 关断时输出电压接近 0V
4、3 计数不准确得原因及相应得避免措施
在实际应用中,导致计数或测量不准确得原因很多,其中主要应注意以下几点:
Ø 编码器安装得现场环境有抖动,编码器与电机轴之间有松动,没有固定紧。
Ø 旋转速度过快,超出编码器得最高响应频率。
Ø 编码器得脉冲输出频率大于计数器输入脉冲最高频率。
Ø 信号传输过程中受到干扰。
针对以上问题得避免措施:
Ø 检查编码器得机械安装,就是否打滑、跳齿、齿轮齿隙就是否过大等。
Ø 计算一下最高脉冲频率,就是否接近或超过了极限值。
Ø 确保高速计数模块能够接收得最大脉冲频率大于编码器得脉冲输出频率。
Ø 检查信号线就是否过长,就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空闲得编码器信号线该如何处理
在实际得应用中,可能会遇到不需要或者模块不支持得信号线,例如:
Ø 对于带零位信号得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。
Ø 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)得输入。
对于这些信号线,不需要特殊得处理,可以直接放弃不用!
4、5增量信号多重评估能否提高计数频率
对于增量信号,可以组态多重评估模式,包括双重评估与四重评估。
四重评估就是指同时对信号 A与B 得正跳沿与负跳沿进行判断,进而得到计数值,如图4-1所示。
对于四重评估得模式,因为对一个脉冲进行了四倍得处理(四次评估),所以读到得计数值就是实际输入脉冲数得四倍,通过对信号得多重评估可以提高测量得分辨率。
图4-1 四重评估原理图
通过以上对增量信号多重评估原理得分析可以瞧出,多重评估只就是在原计数脉冲得基础上对计数值作了倍频处理,而实际上对实际输入脉冲频率没有影响,所以也不会提高模块得最大计数频率。
例如,FM350-2得最大计数频率为10kHz,那么即使配置为四重评估得模式,其最大得计数频率还就是10kHz。
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