如何用PLC控制實現(xiàn)編碼器的定位功能

來源：上海邑斯自動化科技有限公司 2023年05月30日 10:13

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

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，相當于把一個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。

然后有個精密的發(fā)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(zhuǎn)動時候，有縫隙的地方會透光過去，接收器會瞬間收到光脈沖，經(jīng)過電路處理后，輸出一個電脈沖信號，這樣碼盤旋轉(zhuǎn)了一周，會對應輸出1024個脈沖，第一個脈沖位置如果是0，第二個脈沖位置就是0.3515625°，第三個脈沖位置是0.3515625°*2，以此類推，這樣只要有儀器能讀到脈沖個數(shù)，就可以知道碼盤對應在什么位置了，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(guān)系會一一對應，通過讀編碼器脈沖，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，比如控制絲桿，這樣會有個所謂電子齒輪比的關(guān)系，電機轉(zhuǎn)一圈，絲桿會前進多少毫米，這樣讀到了對應編碼器上輸出多少個脈沖，通過脈沖數(shù)就可以反推出當前絲桿的位置。

但是編碼器是圓的，如果無限制旋轉(zhuǎn)下去，角度會無窮大，所以設計了一種增量型的編碼器，轉(zhuǎn)一圈，會輸出三組信號ABZ，其中AB是一樣的脈沖，比如上邊說的一圈有1024個脈沖，AB相脈沖對應一圈內(nèi)的圓周角度，而且兩種脈沖是處于正交狀態(tài)的，如果是正反轉(zhuǎn)，通過判斷AB相脈沖的上升沿和下降沿的先后順序，就可以知道編碼器當前是順時針還是逆時針方向旋轉(zhuǎn)的。

另外有個Z相脈沖，是因為圓周雖然會不停轉(zhuǎn)下去，角度會無***，但是都是一周一周的重復而已，零相脈沖固定在圓周某個位置，編碼器每轉(zhuǎn)一圈，只輸出一個零相脈沖，這樣如果以Z相脈沖為基準點，這樣每次讀到這個脈沖時候，系統(tǒng)就清零一次，就可以讓角度最大值控制在360°以內(nèi)，相當于一個零基準點了。

這樣即使系統(tǒng)斷掉了，重新上電，只要能找到這個基準點，就可以知道絲桿的初始位置在什么地方了。

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(zhuǎn)一圈的，也就是角度在360°內(nèi)的，編碼器可以細分精密一點，比如有13位，相當于2^13次方個脈沖一圈，對應著360°，這種脈沖數(shù)和角度一一對應，不怕系統(tǒng)斷電需要重新調(diào)整零位，這種編碼器叫單圈絕對值編碼器。如果負載需要轉(zhuǎn)多圈的，但是這個圈數(shù)也不能非常多，比如5圈，相當于5*360°=1800°，這樣脈沖和1800°一一對應，這些在一些高檔的數(shù)控機床上應用比較多，可以知道絲桿或者一些旋轉(zhuǎn)工作的當前精密位置，而且不用擔心系統(tǒng)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(jīng)過放大和整形變成了電脈沖，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。

PLC如何通過編碼器判斷位置

PLC能輸入開關(guān)量，也就是一高一低的電平電壓，而編碼器脈沖信號，可以理解一定時間內(nèi)，用極快的速度完成的一組開關(guān)量。但是因為這種開關(guān)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沖的個數(shù)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(shù)據(jù)，而編碼器的精度太高了，單位時間內(nèi)輸出的脈沖個數(shù)太多，普通I/O是無法勝任的。

一般PLC會設計有高速計數(shù)端口，本質(zhì)是利用了底層單片機的硬件邏輯來完成這些編碼器計數(shù)的，避開了掃描周期問題，PLC都設計有專門的高速計數(shù)指令，使用的時候，直接調(diào)用這些指令就可以讀到當前的脈沖值了。

但是脈沖的計算和輸出上，由于掃描周期存在，往往也會存在著滯后影響，如果用來控制一些執(zhí)行機構(gòu)，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(tǒng)，往往并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(fā)出位置脈沖給伺服驅(qū)動器，位置環(huán)在伺服驅(qū)動器內(nèi)部構(gòu)成就好，而PLC這邊只是一個指令機構(gòu)，并沒有構(gòu)成位置閉環(huán)，當然如果是專門定位模塊控制，使用了NC之類的控制方式，是可以在里邊構(gòu)建位置閉環(huán)的。

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