如何用plc控制實(shí)現(xiàn)編碼器的定位功能

嚴(yán)格來講，編碼器只會(huì)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(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)定位的，編碼器好比人的眼睛，知道電機(jī)軸或者負(fù)載處于當(dāng)前某個(gè)位置，工業(yè)上用的一般是光電類型編碼器。

光電編碼器是在一個(gè)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(xì)小的縫，相當(dāng)于把一個(gè)360度，細(xì)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(gè)精密的發(fā)光源，安裝在碼盤的一面，碼盤的另外一面，會(huì)有個(gè)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(dòng)時(shí)候，有縫隙的地方會(huì)透光過去，接收器會(huì)瞬間收到光脈沖，經(jīng)過電路處理后，輸出一個(gè)電脈沖信號(hào)，這樣碼盤旋轉(zhuǎn)了一周，會(huì)對(duì)應(yīng)輸出1024個(gè)脈沖，第一個(gè)脈沖位置如果是0，第二個(gè)脈沖位置就是0.3515625°，第三個(gè)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(gè)數(shù)，就可以知道碼盤對(duì)應(yīng)在什么位置了，如果把編碼器安裝到電機(jī)的軸上，電機(jī)軸和碼盤是剛性連接，兩者的位置關(guān)系會(huì)一一對(duì)應(yīng)，通過讀編碼器脈沖，就可以知道電機(jī)的軸位置。

而電機(jī)軸，比如會(huì)通過同步帶，齒輪，鏈條等帶動(dòng)一些負(fù)載，比如控制絲桿，這樣會(huì)有個(gè)所謂電子齒輪比的關(guān)系，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，絲桿會(huì)前進(jìn)多少毫米，這樣讀到了對(duì)應(yīng)編碼器上輸出多少給脈沖，通過脈沖數(shù)就可以反推出當(dāng)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(huì)無窮大，所以設(shè)計(jì)了一種增量型的編碼器，轉(zhuǎn)一圈，會(huì)輸出三組信號(hào)ABZ，其中AB是一樣的脈沖，比如上邊說的一圈有1024個(gè)脈沖，AB相脈沖對(duì)應(yīng)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(dāng)前是順時(shí)針還是逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的。

另外有個(gè)Z相脈沖，是因?yàn)閳A周雖然會(huì)不停轉(zhuǎn)下去，角度會(huì)無窮無盡，但是都是一周一周的重復(fù)而已，零相脈沖固定在圓周某個(gè)位置，編碼器每轉(zhuǎn)一圈，只輸出一個(gè)零相脈沖，這樣如果以Z相脈沖為基準(zhǔn)點(diǎn)，這樣每次讀到這個(gè)脈沖時(shí)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(dāng)于一個(gè)零基準(zhǔn)點(diǎn)了。

這樣即使系統(tǒng)斷掉了，重新上電，只要能找到這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，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(biāo)系，所以編碼器就是增量型編碼器，應(yīng)用比較廣泛，因?yàn)殪`活而且價(jià)格便宜。

如果只設(shè)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(xì)分精密一點(diǎn)，比如有13位，相當(dāng)于2^13次方個(gè)脈沖一圈，對(duì)應(yīng)著360°，這種脈沖數(shù)和角度一一對(duì)應(yīng)，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(duì)值編碼器。如果負(fù)載需要轉(zhuǎn)多圈的，但是這個(gè)圈數(shù)也不能非常多，比如5圈，相當(dāng)于5*360°=1800°，這樣脈沖和1800°一一對(duì)應(yīng)，這些在一些高檔的數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用比較多，可以知道絲桿或者一些旋轉(zhuǎn)工作的當(dāng)前精密位置，而且不用擔(dān)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(gè)南北間隔的小磁鐵，通過霍爾去讀小磁鐵信號(hào)，輸出信號(hào)，同樣經(jīng)過放大和整形變成了電脈沖，這點(diǎn)和光電編碼器是類似的，而且價(jià)格會(huì)便宜點(diǎn)，可靠性會(huì)高，但是精度就比光電要差點(diǎn)。

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(hào)，可以理解一定時(shí)間內(nèi)，用極快的速度完成的一組開關(guān)量。但是因?yàn)檫@種開關(guān)量的頻率太高了，所以PLC的普通I/O口是無法準(zhǔn)確讀到這些脈沖的個(gè)數(shù)的，因?yàn)镻LC工作過程中存在掃描周期，需要每個(gè)一段時(shí)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(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)太多，普通I/O是無法勝任的。

一般PLC會(huì)設(shè)計(jì)有高速計(jì)數(shù)端口，本質(zhì)是利用了底層單片機(jī)的硬件邏輯來完成這些編碼器計(jì)數(shù)的，避開了掃描周期問題，PLC都設(shè)計(jì)有專門的高速計(jì)數(shù)指令，使用的時(shí)候，直接調(diào)用這些指令就可以讀到當(dāng)前的脈沖值了。但是脈沖的計(jì)算和輸出上，由于掃描周期存在，往往也會(huì)存在著滯后影響，如果用來控制一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，比如氣缸來動(dòng)作裁切動(dòng)作，這樣要考慮提前量的補(bǔ)償問題。

提醒一下，如果想用PLC來控制伺服或者步進(jìn)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(dòng)器，位置環(huán)在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部構(gòu)成就好，而PLC這邊只是一個(gè)指令機(jī)構(gòu)，并沒有構(gòu)成位置閉環(huán)，當(dāng)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。