增量型和绝对值编码器 常见问题 （FAQ） 编码器业务部 目录 1 增量式编码器....................................................................................4 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 如何选择单圈脉冲数PPR.....................................................................................................4 编码器的最大允许单圈脉冲数如何计算？编码器的最大允许单圈脉冲数如何计算？............................................................................4 编码器的最大允许转速为?....................................................................................................4 编码器的接口通信距离可达?................................................................................................5 是否必须使用屏蔽线缆？是否必须使用屏蔽线缆？......................................................................................................5 如何有效降低编码器应用时的噪声影响？如何有效降低编码器应用时的噪声影响？............................................................................5 为何要使用柔性联轴器？为何要使用柔性联轴器？......................................................................................................5 编码器输出的信号是什么意思？编码器输出的信号是什么意思？...........................................................................................5 什么是门参考脉冲？什么是门参考脉冲？.............................................................................................................6 增量式编码器可兼容何种串行通信方式？增量式编码器可兼容何种串行通信方式？.........................................................................7 倍加福RS422编码器的信号电平为？编码器的信号电平为？..............................................................................7 倍加福编码器的供电-输出接口有？输出接口有？..................................................................................7 什么是差分线驱动输出？什么是差分线驱动输出？..................................................................................................7 什么是集电极开路输出？什么是集电极开路输出？..................................................................................................8 什么是图腾柱输出？什么是图腾柱输出？.........................................................................................................8 什么是推挽式输出？什么是推挽式输出？.........................................................................................................8 什么是吸收型输入和源型输入？什么是吸收型输入和源型输入？.......................................................................................8 什么是正交信号输出？什么是正交信号输出？......................................................................................................9 正交输出和4倍频什么关系？倍频什么关系？...........................................................................................9 反向通道A和B有何用处？有何用处？............................................................................................9 什么是参考脉冲？什么是参考脉冲？.............................................................................................................9 为何需要使用上拉电阻？为何需要使用上拉电阻？..................................................................................................9 更换编码器必须断电停机吗？更换编码器必须断电停机吗？...........................................................................................9 意外将24V DC连接到输出通道会造成什么后果连接到输出通道会造成什么后果？成什么后果？........................................................10 编码器故障诊断需要什么检测设备？编码器故障诊断需要什么检测设备？..............................................................................10 什么是IP等级？等级？.............................................................................................................11 2 绝对值编码器..................................................................................12 2.1 2.2 2.3 2.4 什么是绝对值编码器?.........................................................................................................12 绝对值编码器和增量式编码器的区别是什么？绝对值编码器和增量式编码器的区别是什么？...................................................................12 绝对值编有哪些输出码制？绝对值编有哪些输出码制？................................................................................................12 什么是格雷码？什么是格雷码？..................................................................................................................13 2 2.5 2.6 2.7 如何转换格雷码为二进制码？如何转换格雷码为二进制码？.............................................................................................13 什么是单圈绝对值编码器？什么是单圈绝对值编码器？................................................................................................13 什么是多圈编码器？什么是多圈编码器？...........................................................................................................14 3 NAMUR本安型编码器....................................................................15 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 什么是NAMUR 本安型编码器，本安型编码器，为何需要它？为何需要它？..................................................................15 本安型编码器可以应用于石油精炼厂吗？本安型编码器可以应用于石油精炼厂吗？..........................................................................15 什么是隔离栅？什么是隔离栅？..................................................................................................................15 电器设备分类IIB 和IIC两者有什么区别？两者有什么区别？........................................................................15 什么是0区？......................................................................................................................15 如果不便使用隔离栅，如果不便使用隔离栅，有其它选择方案吗？有其它选择方案吗？.......................................................................16 隔爆型编码器比较便宜吗？隔爆型编码器比较便宜吗？................................................................................................16 3 1 增量式编码器 1.1 如何选择单圈脉冲数PPR 选择增量式编码器的单圈分辨率PPR，须考虑： a. 将所选择的单圈脉冲数PPR和电机驱动编码器的最大转速综合考虑，计算工作频率，确保其不会引起在最大转速下脉冲输出频率超过编码器的脉冲输出频率和控制器的输入频率。 b. 单圈脉冲数尽量选择为你所需要的精度控制，这样可减少比例缩放操作。 如12m测量范围，测量显示仅需1m/步（低分辨率），则可选择12ppr，而如果需要显示0.01m/步（高分辨率），应选择1200ppr或以上的编码器。 如果你选择了600ppr的编码器测量显示0.01m/步的精度，则需要进行比例换算，将0.02m/步换算为0.01m/步。 c. 请注意，可能你所使用的控制器带有2倍或4倍倍频功能。 按以上示例，0.01m/步的测量精度，选择600ppr并进行2倍频或者300ppr进行4倍频，可达到同样的效果。 1.2 编码器的最大编码器的最大允许最大允许单圈脉冲数如何计算允许单圈脉冲数如何计算？单圈脉冲数如何计算？ 编码器的物理单圈脉冲数可从产品技术参数表查询，但实际最大单圈脉冲数受到编码器输出频率的，计算如下： f= n×z 60fmax×60 z这里, f, fmax = 频率，单位：Hz n, nmax = 转速，单位:转/分 z = 单圈脉冲数ppr nmax= 图1展示了编码器实际工作频率和单圈脉冲数的关系特性。 Fig.1 图1 1.3 编码器的最大允许转速为? 4 编码器的机械允许转速rpm可参照产品技术参数表，实际工作转速可能会受到编码器的接口输出频率和控制器的输入频率。 1.4 编码器的接口通信距离可达? 关于该问题，由于实际工况中多种因素可能对接口通信距离造成影响，具体长度不定。 一般，线缆越长，编码器受到干扰的可能越大，原因在于电缆的分布容抗、分布阻抗造成的信号衰减和天线效应引入噪声等。 要获得最大的通信距离，须遵循以下基本布线准则： 编码器信号线缆远离噪声源，例如AC电机、弧焊机、AC功率电缆以及变压器等。 信号线缆请使用工业数据用屏蔽双绞线缆。 使用塑料盘联轴器，降低噪声及接地电气干扰。 在供电电压允许范围内使用最高电压，例如编码器供电允许5~24V，请使用24V供电，使用差分接收器接收集电极开路和差分线驱动输出信号，保证最大限度的信号电流被接收。 如果你需要单编码器信号多控制器应用方案，请务必使用信号放大器。这将有助于延长信号通信距离。一般情况下，差分线驱动通信距离可达1200m。 强烈建议使用，特别是在存在大量电气干扰的环境下。如果你存在噪声干扰问题或者怀疑可能存在，请务必使用。 a. b. c. d. e. 1.5 是否必须使用屏蔽线缆？是否必须使用屏蔽线缆？ 1.6 如何有效降低编码器应用时的噪声影响？如何有效降低编码器应用时的噪声影响？ 提高编码器的抗干扰特性，可遵循以下原则： a. 将编码器信号线缆和电机或其它动力电缆应分开布置。 b. 尽量缩短通信线缆，避免备用长度部分。 c. 线缆在某种程度上可理解为辐射射频信号的接收天线，有必要在强干扰环境添加额外的干扰抑制设备。 1.7 为何要使用柔性联轴器？为何要使用柔性联轴器？ 柔性联轴器用于保护编码器的轴承，抑制驱动侧带来的冲击振动影响。同时联轴器还可以有效的补偿角度偏差、径向和轴向偏差。 1.8 编码器输出的信号是什么意思？编码器输出的信号是什么意思？ 方波输出的增量编码器信号如下： 5 图2 图2中，标示了A、B、0和相应的反向通道A、B、0共6个信号通道脉冲输出序列。根据实际应用，这些信号可以单独或组合应用。每一个脉冲，对应着光线透过了码盘透明部分产生的光脉冲。0位参考信号每一整圈发送一个脉冲。 1.9 什么是门参考脉冲？什么是门参考脉冲？ 门参考脉冲，参见1.8关于方波式增量式编码器脉冲输出的0通道信号，其有A通道和B通道信号共同组合的门来脉冲的宽度和何时发送。 一般，门参考脉冲基于上升沿触发，触发方式存在如下两种方式： 图3 图4 如图3，门参考脉冲的上升沿有A通道脉冲的上升沿触发，B的脉冲下降沿对应其脉冲下降沿（A通道信号相位领先于B）。 如图4，门参考脉冲的上升沿有B通道脉冲的上升沿触发，A的脉冲下降沿对应其脉冲下降沿（B通道信号相位领先于A）。 6 1.10 增量式编码器可兼容何种串行通信方式？增量式编码器可兼容何种串行通信方式？ RS422（仅使用了RS422 的电气特性） 1.11 倍加福RS422编码器的信号电平为？编码器的信号电平为？ 5VDC 1.12 倍加福编码器的供电-输出接口有？输出接口有？ P+F 编码器所可提供的供电-输出接口如下： 供电电压 输出接口 10 - 30V DC 10 - 30V DC 5V DC 4.75 - 30VDC 10-30VDC 推挽 5VDC RS422 5VDC RS422 4.75 - 30VDC推挽 编码器系列 R-Line R-Line R-Line T-Line 1.13 什么是差分线驱动输出？什么是差分线驱动输出？ 差分式输出，表述的是每个输出通道均带有对应的一个反向通道，例如通道A对应的反向通道A。RS422差分线驱动用于提高信号传输对噪声干扰的免疫性能，以达到更大的传输距离，可随意匹配吸收型或有源型电路接收信号，比图腾柱输出能够提供或者吸收更大的电流。 差分数据传输（平衡差分信号）在很多应用中表现出优越的特性，其能够有效的抑制低电势差异和传输网络的共模电压噪声干扰。 下图5给出了差分线驱动输出接口的通信距离和波特率的关系。 图5 数据传输采用RS422接口，通信速率最大可达10MB/s，通信距离可达1200m。同时还可组建多支线网络，允许每支线一个驱动器主站和最多10个从站接收器。这种接口在反向通道不使用的情况下，也可用来替代TTL接口。下表给出了RS422接口的技术特性。 7 技术指标 工作模式 单网络支线允许节点数 最大通信距离 最大通信速率（12m~1200m） 驱动器最大输出电压 驱动器输出信号电平(最小值) 驱动器输出信号电平(最大值) 驱动器负载阻抗（欧姆） 驱动器高阻态最大电流 驱动器高阻态最大电流 接收器输入电压 接收器输入灵敏度 接收器输入阻抗（欧姆） 带负载 无负载 供电 断电 RS422 差分 主站驱动器1/从站接收器10 1200m 10MB/s-100KB/s -0.25V to +6V +/-2.0V +/-6V 100 无量值 +/-100uA -10V ~+10V +/-200mV >4k 1.14 什么是集电极开路输出？什么是集电极开路输出？ NPN集电极开路输出，其NPN晶体管的集电极悬置，用于连接外围接收电路，射极一般连接于电源地（0V或者-Ve），基极连接控制信号电压，当基极On的时候，集电极对地导通。该输出形式用于将小电流或电压转换为大电流或电压，和上拉电阻配合使用，将接收端的正电压导通至电源地，驱动控制器节点、二极管以及继电器等。 PNP集电极开路输出，分析类似。 1.15 什么是图腾柱输出？什么是图腾柱输出？ 图腾柱输出，本质上和推挽式输出无大区别，但该术语主要应用于TTL设备。其与推挽式输出的主要区别表现在其可提供或吸收的电流较小。另一个区别为，图腾柱输出仅可输出5V电平信号，而推挽式输出的信号电平为供电电压大小。 1.16 什么是推挽式输出？什么是推挽式输出？ 推挽式输出是PNP和NPN输出的复合体，其可随意连接吸收型或源型输入回路。这种输出电流可提供或吸收更多的电流以及提供和供电电压相同的信号电平。当反向通道不用的时候，集电极开路接口可以使用推挽式输出替代。 1.17 什么是吸收型输入和源型输入？什么是吸收型输入和源型输入？ 吸收型和源型输入的界定在于电流流入晶体管的电流方向。这意味着谁提供电压和负载的问题。如图6，吸收型输入，外围电路提供电压源和负载，和输入电路形成回路后，电流流向输入电流，并最终返回电源地。图7源型输入，放在外围负载电路前，为其提供电压源和电流流入。关于吸收型输出和源型输出，类同。 图6 图7 8 1.18 什么是正交信号输出？什么是正交信号输出？ 正交输出是指信号通道A和B的脉冲序列存在90度相位差，根据编码器轴的旋转方向不同，A信号相位领先于B，或者相反。 1.19 正交输出和4倍频什么倍频什么关系什么关系？关系？ 正交输出（图8）是为了描述各通道信号的相互相位关系。当A通道和B通道的脉冲序列相位差为90度时，我们称其为正交。 图8 4倍频是为了描述控制器如何解析其接收到的编码器脉冲信号的方法。即为，其通过鉴别A和B各通道脉冲信号的上升沿和下降沿，并分别在相应位置自生成以单独脉冲。请注意，该功能完全由控制器完成，而不是有编码器完成，编码器仅需提供正交信号即可。 图 9 这意味着，你购买了一款120脉冲每圈的正交输出编码器，并不是说编码器本身会给你每圈提供480脉冲，而是由你的控制器来完成4倍频工作。 1.20 反向通道A和B有何用处？有何用处？ 反向通道A、B是相对于A、B而言的。例如，当A通道脉冲为高电平时，A为低电平，反之亦然。使用反向通道，主要是为了抑制噪声干扰。当专用信号接收模块同时接收到A和A信号时，其将首先比对两信号，消除共模干扰信号，得到无干扰信号。其他反向通道如此类似。这种输出形式，称为差分输出。 1.21 什么是参考脉冲？什么是参考脉冲？ 参考脉冲，是增量式编码器中的一个绝对参考位置，或称为原点，用来鉴别编码器码盘正好旋转了一圈。 1.22 为何需要使用上拉电阻？为何需要使用上拉电阻？ 上拉电阻，用来提升信号逻辑高电平达到正常的工作电压水平。一般用在集电极开路输出或者由于噪声原因，提升为达到正常逻辑高电平的信号电压为正常值。 1.23 更换编码器必须断电停机吗？更换编码器必须断电停机吗？ 9 必须。否则，如果供电意外短路或者接地，将有可能损毁编码器。 1.24 意外将24V DC连接到输出通道会造成什么后果？连接到输出通道会造成什么后果？ 请务必注意，不要将24V DC连接到输出通道，其将可能彻底损毁编码器电子部件。图10展示了一该原因烧毁的编码器。 图10 1.25 编码器故障诊断需要什么检测设备？编码器故障诊断需要什么检测设备？ 示波器或专用编码器检测仪器。万用表也可用于基本诊断，检测供电状态和低频脉冲输出等。更进一步的检测必须在专业人员的指导下，借助示波器完成。 10 1.26 什么是IP等级？等级？ IP（Ingress Protection）防护等级系统是由IEC国际电工委员会所起草的，用来描述设备对灰尘和水的侵入可能界定的标准。等级划分具体如下： 11 2 绝对值编码器 2.1 什么是绝对值编码器? 绝对值编码器可理解为增量式编码器的升级改进。增量式编码器仅能检测位置的相对变动（根据这些值，可计算获得速度和加速度等），无法确定物体的绝对位置。绝对值编码器既能解决这一问题，反馈物体绝对位置。 这种编码器和增量式编码器一样，采用交替透光和不透光的栅格划分，但却从内到外含有多圈同心的这样的码道，形如掷标的圆靶。这些同心圆码道从内到外每层码道对应着二进制或者格雷码的一个数制位。一个12位分辨率的编码器，码盘上将有12圈码道。沿径向同时扫描这些码道，绝对值编码器将对360度角度内的任意位置给出唯一对应的二进制码或者格雷码。因为这些码值蚀刻于码盘，每次设备上电后即可立即读出，所以不必担心设备掉电后位置信息的丢失，绝对值编码器始终反馈出正确的位置。 绝对值编码器的分辨率采用“位”单位标示，倍加福编码器单圈分辨率一般介于12~16位。通常应用于，需要精确可靠位置反馈的机器设备。 2.2 绝对值编码器和增量式编码器的区别是什么？绝对值编码器和增量式编码器的区别是什么？ 绝对值编码器和增量式编码器的区别如下： 增量式编码器在整个运动测量范围内始终重复的发送相同的脉冲信号。 增量式编码器在每一机械位置反馈的信号不是唯一确定的。 增量式编码器上电起始无法知道当前的确定位置，因为增量式编码器在每一位置反馈的信号不是唯一对应的。 绝对值编码器在一圈内任一位置反馈确定的一一对应的数字编码，例如二进制，而不是脉冲输出。这点，当你需要确定一个绝对位置的时候，非常重要并且方便。 因为绝对值编码器在每一位置均由唯一对应的编码值，这样如果设备掉电或者故障，确切的位置值只要一上电即可获得，不会丢失。 绝对值编码器一般使用二进制码和格雷码两种码值。 二进制码： 二进制码（图11）是双态码值系统的经典码制，可以类似十进制码简单计算。但是这种码制属于多步码，从一个数字变换为相邻数字的时候，可能多位同时变化，例如从数字7到8，位0、1、2同时变化。 a. b. c. d. e. 2.3 绝对值编有哪些输出码制？绝对值编有哪些输出码制？ 图11 为了保证数据传输安全，必须保证码值一位一位的变化。接收控制器将根据条件判断，数据是否可靠，否则进行修复。 12 格雷码： 格雷码（图12）是一种单步码。 图12 仔细观察这种码的逐步变化，你将发现相邻数字的改变，仅一位变化。但这种码的计算，必须首先转换为二进制码才可以。在选用并行接口传送数据的时候，强烈推荐使用该码制传输。 2.4 什么是格雷码？什么是格雷码？ 格雷码是二进制码的一种变形。两者的区别表现在相邻数字的变化特征。格雷码在相邻数字间增减时仅有一位变化。如下图，格雷码序列按二进制直译为十进制的结果为0、1、3、2、6、7，而真实的二进制序列则为0、1、2、3、4、5。 格雷码主要用于防止相邻数据位间变换的错误。以带有两个高电平1的二进制数字序列为例，由于时钟或者电缆分布容抗的原因，0011变换为0100的过程中可能产生0111，但是格雷码不可能发生这种后果。 2.5 如何转换格雷码为二进制码？如何转换格雷码为二进制码？ 1 2 格雷码转换为二进制码的步骤如下: 将格雷码最高位不变，直接放在二进制的最高位 将右图加亮显示的数据位，即二进制高位和格雷码次高位，相加，去掉进位，填写在二进制的次高位。 重复以上步骤2，直至完成转换。 3 2.6 什么是单圈绝对值编码器？什么是单圈绝对值编码器？ 16以16位单圈绝对值编码器为例，一圈360°将被等分为65536步(2)，你将对某一具体轴位获得0~65535的唯一数字对应。当编码器旋转超过一圈后，数值重复，编码器不会对旋转的圈数进行计数反馈。 13 2.7 什么是多圈编码器？什么是多圈编码器？ 多圈编码器，除了带有和单圈编码器一样的码盘为，还额外的有一套齿轮机构。这一齿轮机构通过变比因子，可以记录编码器旋转的圈数信息。最大可达16384圈，14位。 因此，单圈分辨率16位加上多圈分辨率14位，总分辨率可达30位（1,073,741,824步）。此多达十亿步的测量范围，十分有利于将超长的测量范围划分为足够小的测量单位，例如度量地球的圆周长，精度可达3cm每步。 14 3 NAMUR本安型编码器 3.1 什么是NAMUR 本安型编码器，本安型编码器，为何需要它？为何需要它？ 本质安全(Intrinsically safe) 是为了描述在规定条件(包括正常工作和规定的故障条件)下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的设备电路。本质安全的布线及端子可任意在各分类/组别的危险区域而不需要包括隔爆在内的额外防护。 本安型编码器主要应用于爆炸起火危险区域，例如汽油、细锯末、化工等易燃物质场合。这种编码器，即使短路或存在电压尖峰，也不会产生火花威胁到你的系统安全。 3.2 本安型编码器可以应用于石油精炼厂吗？本安型编码器可以应用于石油精炼厂吗？ 可以。但你还必须配套使用一套隔离栅设备，否则无法使用。要么，就直接使用隔爆型编码器。 3.3 什么是隔离栅或者隔离器什么是隔离栅或者隔离器？或者隔离器？ 隔离栅设备用于保护传感器免受电压尖峰和短路的影响。该设备通常含有一个齐纳二极管和一个保险管。当电压尖峰或短路发生，只会损毁保险管，而不会危及到传感器，以保证你的系统免受起火危险。和传感器置于危险现场环境不同，隔离栅必须安装在非危险区域，并必须可靠接地。 隔离器，和隔离栅具有相同的功能，主要用于信号的电隔离。这种设备无须考虑接地，安装简单可靠。例如在沙漠环境，很难找到一个合适的接地点，隔离器是一个比较好的选择。同隔离栅设备一样，隔离器必须安装在非危险区域。 强烈建议，在使用隔离栅的时候，保证可靠稳定的供电和接地系统，否则将增大编码器损坏的风险。如果你的隔离栅的保险管经常性的烧坏，请注意及时检查你的供电系统和接地系统，这表明其中存在问题。如果不是隔离栅的原因，其十分可能造成你的工厂付之一烛。 3.4 电器设备分类IIB 和IIC两者有什么区别？两者有什么区别？ 两者均表示电器设备为II类，即除煤矿外的其他爆炸性气体环境用电气设备。B和C又是II类设备按爆炸性气体特性的进一步分类标识。IIB为一般工业防爆应用环境，IIC分类则对应更多的危险气体表现安全。倍加福IIC类别的4~20mA和Namur本安设备，可常规用于近海石油开采。 3.5 什么是0区？ 危险场所，根据爆炸性气体环境出现的频率和持续时间分为以下区域: 0区 爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。 1区 在正常运行时，可能出现爆炸性气体环境的场所。 2区 在正常运行时，不可能出现爆炸性气体环境，如果出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在的场合。 危险场所，根据可燃性粉尘空气混合物出现的频率和持续时间及粉尘层厚度进行的分类 20 区 在正常运行过程中可燃性粉尘连续出现或经常出现,其数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物和可能形成无法控制和极厚的粉尘层的场所及容器内部。 15 21 区 在正常运行过程中可能出现粉尘数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物但未划入20 区的场所。该区域包括与充入或排放粉尘点直接相邻的场所出现粉尘层和正常操作情况下可能产生可燃浓度的可燃性粉尘与空气混合物的场所 在异常条件下可燃性粉尘云偶尔出现并且只是短时间存在或可燃性粉尘偶尔出现堆积或可能存在粉尘层并且产生可燃性粉尘空气混合物的场所。如果不能保证排除可燃性粉尘堆积或粉尘层时则应划分为21 区。 22 区 3.6 如果不便使用隔离栅，如果不便使用隔离栅，有其它选择有其它选择方案吗选择方案吗？方案吗？ 你可以考虑使用隔爆型编码器，其外壳含有一个熄火通道，火花不可能从设备内部溢出。防爆级别EX d IIC， 1区防爆。 3.7 隔爆型编码器比较便宜吗？隔爆型编码器比较便宜吗？ 不一定。隔爆型编码器由于采用不锈钢或铝外壳密封，价格非常昂贵。但如果你使用隔离栅存在问题，其将是一个不错的选择。和普通编码器一样，设备即插即用，电子元器件完全密封于安全罩壳内，不需要关心最大电压和电流（至少对于编码器，因为编码器的供电电压和工作电流永不会超过40V和200mA），非常方便。 16
