單圈絕對(duì)值編碼器在多圈計(jì)數(shù)中的應(yīng)用探討

在工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)中，大量的線性和角度偏移必須通過電信號(hào)進(jìn)行處理。編碼器是實(shí)現(xiàn)這一功能的主要設(shè)備。然而，由于不同編碼器類型之間的價(jià)格差異很大，在實(shí)際應(yīng)用中選擇不當(dāng)很容易導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)氖褂煤屠速M(fèi)。本文主要研究單圈絕對(duì)值編碼器在多圈過程控制中的應(yīng)用。



1、概述

編碼器是一種旋轉(zhuǎn)傳感器，它將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為一系列數(shù)字脈沖信號(hào)，可用于控制角度位移。當(dāng)與齒輪帶或螺釘組合時(shí)，編碼器也可用于測(cè)量線性位移。編碼器產(chǎn)生電信號(hào)，并通過數(shù)控、可編程邏輯控制PLC、控制系統(tǒng)等進(jìn)行處理。這些傳感器主要用于以下領(lǐng)域：機(jī)床、材料加工、電機(jī)反饋系統(tǒng)和測(cè)控技術(shù)。

2、編碼器分類

根據(jù)工作原理，編碼器通常分為增量型和絕對(duì)型，這兩種類型的區(qū)別最大：增量編碼器將位移轉(zhuǎn)換為周期性電信號(hào)，然后將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖，使用脈沖數(shù)來表示位移的大小。在增量編碼器中，位置由從零位置標(biāo)記計(jì)算的脈沖數(shù)確定，而絕對(duì)值編碼器的位置由讀取輸出代碼確定。在圓圈中，讀取每個(gè)位置的輸出代碼是唯一的：絕對(duì)值編碼器的每個(gè)位置都對(duì)應(yīng)于某個(gè)數(shù)字代碼，因此其顯示僅與測(cè)量的開始和結(jié)束位置有關(guān)，而與測(cè)量無關(guān)

數(shù)量的中間過程是獨(dú)立的。因此，在斷開電源時(shí)，絕對(duì)值編碼器不會(huì)與實(shí)際位置分離。當(dāng)電源再次打開時(shí)，位置指示器保持當(dāng)前有效；與增量編碼器不同，有必要搜索零標(biāo)記。

絕對(duì)值編碼器也可以分為單旋轉(zhuǎn)編碼器和多旋轉(zhuǎn)編碼器。對(duì)于具有多個(gè)旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)值編碼器，制造商利用時(shí)鐘齒輪機(jī)的原理，在中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)通過齒輪驅(qū)動(dòng)另一組碼盤（或多組齒輪、多組碼盤）。在單圈編碼的基礎(chǔ)上，增加了轉(zhuǎn)數(shù)以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍。這種類型的絕對(duì)值編碼器被稱為多圈絕對(duì)值編碼器，也是由編碼的機(jī)械位置決定的，并且每個(gè)位置代碼都是唯一的，不重復(fù)。沒有內(nèi)存。多圈編碼器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于其測(cè)量范圍大，在實(shí)際使用中通常有更大的操作空間。這樣就不需要在安裝過程中尋找零點(diǎn)，并且可以使用某個(gè)中間位置作為起點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了安裝和故障排除的難度。

3、編碼規(guī)則

絕對(duì)值編碼器通常使用格雷碼編碼方法。當(dāng)編碼一組數(shù)字時(shí)，當(dāng)兩個(gè)相鄰的代碼只有一個(gè)二進(jìn)制數(shù)不同時(shí)，這種編碼被稱為格雷碼。此外，由于最大數(shù)和十進(jìn)制數(shù)只有一位不同，即“第一個(gè)和最后一個(gè)相連”，因此也稱為循環(huán)碼或反射碼。在數(shù)字系統(tǒng)中，代碼通常必須按照一定的順序進(jìn)行更改。例如，如果使用8421碼，那么當(dāng)數(shù)字0111變?yōu)?000時(shí)，所有四個(gè)比特都會(huì)改變。然而，在實(shí)際電路中，四個(gè)比特的變化不能絕對(duì)同時(shí)發(fā)生，并且其他代碼（1100、1111等）可能在計(jì)數(shù)中短暫出現(xiàn)。在某些情況下，可能會(huì)出現(xiàn)電路狀態(tài)錯(cuò)誤或輸入錯(cuò)誤。使用格雷碼可以避免此錯(cuò)誤。

數(shù)量的中間過程是獨(dú)立的。因此，在斷開電源時(shí)，絕對(duì)值編碼器不會(huì)與實(shí)際位置分離。當(dāng)電源再次打開時(shí)，位置指示器保持當(dāng)前有效；與增量編碼器不同，有必要搜索零標(biāo)記。

絕對(duì)值編碼器也可以分為單旋轉(zhuǎn)編碼器和多旋轉(zhuǎn)編碼器。對(duì)于具有多個(gè)旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)值編碼器，制造商利用時(shí)鐘齒輪機(jī)的原理，在中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)通過齒輪驅(qū)動(dòng)另一組碼盤（或多組齒輪、多組碼盤）。在單圈編碼的基礎(chǔ)上，增加了圈數(shù)以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍。這種類型的絕對(duì)值編碼器被稱為具有多個(gè)旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器，這也是由用于編碼的機(jī)械位置決定的，并且每個(gè)位置代碼不重復(fù)。沒有內(nèi)存。多圈編碼器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于其測(cè)量范圍大，在實(shí)際使用中通常有更大的操作空間。這樣就不需要在安裝過程中尋找零點(diǎn)，并且可以使用某個(gè)中間位置作為起點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了安裝和故障排除的難度。

格雷碼是可靠性編碼的一部分，是一種最大限度地減少錯(cuò)誤的編碼方法。因?yàn)楸M管自然二進(jìn)制碼可以直接從數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，但在某些情況下，例如，當(dāng)從小數(shù)點(diǎn)3轉(zhuǎn)換為4時(shí)，二進(jìn)制碼的每一位都會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)字電路產(chǎn)生大的峰值電流脈沖。另一方面，格雷碼沒有這個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)在相鄰比特之間轉(zhuǎn)換時(shí)，只改變一個(gè)比特。當(dāng)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到下一種狀態(tài)時(shí)，它顯著減少了邏輯混亂。由于在這種類型的編碼中，兩個(gè)相鄰的代碼組之間只有一個(gè)位數(shù)的差異，方向的旋轉(zhuǎn)偏移的微小變化（這可能導(dǎo)致數(shù)字的變化），格雷碼只改變一個(gè)數(shù)字。這比同時(shí)改變兩個(gè)或多個(gè)數(shù)字的其他編碼更可靠，并且可以降低出錯(cuò)的可能性。

格雷碼和二進(jìn)制碼之間的轉(zhuǎn)換：從第二位到左XOR，每個(gè)位與左位的解碼值作為該位的解碼價(jià)值（左位保持不變）。按順序異或到最低位置。順序XOR轉(zhuǎn)換后的值（二進(jìn)制數(shù)）是格雷碼轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制碼的值。

用公式表示：

（G：格雷碼，B：二進(jìn)制碼）

原始代碼：p[n:0]；格雷碼：c[n:0]（n∈n）；代碼：C=G（p）；解碼：p=F（c）

4、實(shí)施方法

單圈旋轉(zhuǎn)編碼器價(jià)格低廉，在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于其測(cè)量范圍較小，在安裝過程中有必要調(diào)整零點(diǎn)，以避免在使用過程中繞著零點(diǎn)旋轉(zhuǎn)編碼器。這意味著編碼器只能在360度范圍內(nèi)選擇，這大大減少了其應(yīng)用范圍。然而，在使用時(shí)，通常需要將編碼器旋轉(zhuǎn)一圈甚至幾圈以上。考慮到成本和使用要求，有必要對(duì)編碼器編碼進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。以10位單圈絕對(duì)值編碼器為例，編碼范圍為0-1023，共有1024個(gè)編碼。傳統(tǒng)的方法是使用PLC程序掃描周期（通常為50-100ms）作為時(shí)間尺度，并在每個(gè)掃描周期內(nèi)將編碼器代碼X與1023進(jìn)行比較。

在這一點(diǎn)上，編碼器已經(jīng)通過了圓圈，這導(dǎo)致了兩個(gè)問題：1。如果編碼器旋轉(zhuǎn)過快，很容易造成代碼丟失，即程序無法接收到1023的代碼值，因此無法正確確定圓。2.當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)并精確地停止到1023的代碼值時(shí)，它通過旋轉(zhuǎn)引起編碼器錯(cuò)誤信號(hào)。

改進(jìn)的編碼處理以可編程邏輯器件的循環(huán)掃描周期為時(shí)間尺度，即當(dāng)前周期采用編碼a，然后將a與前一周期進(jìn)行比較

如果B-A>=1沒有循環(huán)，則比較編碼B；當(dāng)B-A<=1時(shí)，編碼器通過一個(gè)循環(huán)。由于A和B的值是基于PLC的掃描周期不斷更新的，即使存在代碼丟失，這也不會(huì)導(dǎo)致對(duì)循環(huán)的錯(cuò)誤評(píng)估。

在程序中，MDO是由編碼器轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制讀取，MD4是當(dāng)前循環(huán)讀取，MD8是前一個(gè)循環(huán)讀取，MDR16是速度，MD25是對(duì)累積旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)后讀取的速度。

5、小結(jié)

在實(shí)際的工業(yè)控制過程中，通過PLC編程將單圈絕對(duì)值編碼器用作多圈絕對(duì)值編碼器的方法為需要選擇多圈絕對(duì)編碼的設(shè)計(jì)者提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。經(jīng)過在工程中的實(shí)際應(yīng)用，它可以完全取代多匝編碼器，達(dá)到既節(jié)省功能又節(jié)省成本的效果。