如何用PLC控制實現編碼器的定位功能?

2020-11-24 騰訊網

嚴格來講，編碼器只會告訴你該如何定位，要如何執行，是需要靠數控系統（或者PLC之類控制器）控制伺服或者步進電機來實現定位的，編碼器好比人的眼睛，知道電機軸或者負載處於當前某個位置，工業上用的一般是光電類型編碼器，下邊簡單說明一下。

01

簡單說下編碼原理和位置測量

光電編碼器是在一個很薄很輕的圓盤子上，通過緊密儀器來腐蝕雕刻了很多條細小的縫，相當於把一個360度，細分成很多等分，比如成1024組，這樣每組之間的角度差是360/1024度=0.3515625度。

然後有個精密的發光源，安裝在碼盤的一面，碼盤的另外一面，會有個接收器之類的，使用了光敏電阻這些元件加放大和整形電路組成，這樣碼盤轉動時候，有縫隙的地方會透光過去，接收器會瞬間收到光脈衝，經過電路處理後，輸出一個電脈衝信號，這樣碼盤旋轉了一周，會對應輸出1024個脈衝，第一個脈衝位置如果是0，第二個脈衝位置就是0.3515625°，第三個脈衝位置是0.3515625°*2，以此類推，這樣只要有儀器能讀到脈衝個數，就可以知道碼盤對應在什麼位置了，如果把編碼器安裝到電機的軸上，電機軸和碼盤是剛性連接，兩者的位置關係會一一對應，通過讀編碼器脈衝，就可以知道電機的軸位置。

而電機軸，比如會通過同步帶，齒輪，鏈條等帶動一些負載，比如控制絲杆，這樣會有個所謂電子齒輪比的關係，電機轉一圈，絲杆會前進多少毫米，這樣讀到了對應編碼器上輸出多少給脈衝，通過脈衝數就可以反推出當前絲杆的位置。

但是編碼器是圓的，如果無限制旋轉下去，角度會無窮大，所以設計了一種增量型的編碼器，轉一圈，會輸出三組信號ABZ，其中AB是一樣的脈衝，比如上邊說的一圈有1024個脈衝，AB相脈衝對應一圈內的圓周角度，而且兩種脈衝是處於正交狀態的，如果是正反轉，通過判斷AB相脈衝的上升沿和下降沿的先後順序，就可以知道編碼器當前是順時針還是逆時針方向旋轉的。

另外有個Z相脈衝，是因為圓周雖然會不停轉下去，角度會無窮無盡，但是都是一周一周的重複而已，零相脈衝固定在圓周某個位置，編碼器每轉一圈，只輸出一個零相脈衝，這樣如果以Z相脈衝為基準點，這樣每次讀到這個脈衝時候，系統就清零一次，就可以讓角度最大值控制在360°以內，相當於一個零基準點了。

這樣即使系統斷掉了，重新上電，只要能找到這個基準點，就可以知道絲杆的初始位置在什麼地方了。

以上這種定位叫增量坐標系，所以編碼器就是增量型編碼器，應用比較廣泛，因為靈活而且價格便宜。

如果只設備只需要轉一圈的，也就是角度在360°內的，編碼器可以細分精密一點，比如有13位，相當於2^13次方個脈衝一圈，對應著360°，這種脈衝數和角度一一對應，不怕系統斷電需要重新調整零位，這種編碼器叫單圈絕對值編碼器。如果負載需要轉多圈的，但是這個圈數也不能非常多，比如5圈，相當於5*360°=1800°，這樣脈衝和1800°一一對應，這些在一些高檔的數控工具機上應用比較多，可以知道絲杆或者一些旋轉工作的當前精密位置，而且不用擔心系統斷電歸零問題。

此外，編碼器還有磁電方式的，比如在碼盤上加工了很多個南北間隔的小磁鐵，通過霍爾去讀小磁鐵信號，輸出信號，同樣經過放大和整形變成了電脈衝，這點和光電編碼器是類似的，而且價格會便宜點，可靠性會高，但是精度就比光電要差點。

02

PLC如何通過編碼器判斷位置

PLC能輸入開關量，也就是一高一低的電平電壓，而編碼器脈衝信號，可以理解一定時間內，用極快的速度完成的一組開關量。但是因為這種開關量的頻率太高了，所以PLC的普通I/O口是無法準確讀到這些脈衝的個數的，因為PLC工作過程中存在掃描周期，需要每個一段時間才去刷新一下普通I/O口的數據，而編碼器的精度太高了，單位時間內輸出的脈衝個數太多，普通I/O是無法勝任的。

一般PLC會設計有高速計數埠，本質是利用了底層單片機的硬體邏輯來完成這些編碼器計數的，避開了掃描周期問題，PLC都設計有專門的高速計數指令，使用的時候，直接調用這些指令就可以讀到當前的脈衝值了。

但是脈衝的計算和輸出上，由於掃描周期存在，往往也會存在著滯後影響，如果用來控制一些執行機構，比如氣缸來動作裁切動作，這樣要考慮提前量的補償問題。

提醒一下，如果想用PLC來控制伺服或者步進系統，往往並不需要通過編碼器反饋來判斷位置，通過一些PLS指令之類的來發出位置脈衝給伺服驅動器，位置環在伺服驅動器內部構成就好，而PLC這邊只是一個指令機構，並沒有構成位置閉環，當然如果是專門定位模塊控制，使用了NC之類的控制方式，是可以在裡邊構建位置閉環的。

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