3.3 旋转编码器
3.3.1 概述
工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了。但是，随着工业自动化控制技术的不断发展，又有了新的要求，这样选用旋转编码器的应用优点就比较明显了，使用编码器具有信息化、柔性化、现场安装的方便和安全、多功能化、经济化等优点。旋转编码器因此广泛地被应用于各种工控场合。图3-30所示为旋转编码器实物外形图。
3.3.2 工作原理
编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式，编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区用代码“1”还是“0”表示其状态；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区用代码“1”还是“0”表示其状态，通过“1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通信、传输和存储。编码器工作原理如图3-30所示。
图3-30 旋转编码器工作原理图
编码器按照工作原理可分为增量型和绝对型两类。
1.增量型编码器（旋转型）
由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，由光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D，每个正弦波相差90°相位差（相对于一个周波为360°），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。
由于A、B两相相差90°，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。
增量型编码器的问题：增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用绝对型编码器可以解决。
增量型编码器的一般应用：测速，测转动方向，测移动角度、距离（相对）。
2.绝对型编码器（旋转型）
绝对型编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线…编排，这样在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组20～2n-1的唯一的二进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。
绝对型编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。
旋转单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360°时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360°以内的测量，称为单圈绝对值编码器。
如果要测量旋转超过360°范围，就要用到多圈绝对值编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮、多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对型编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。
多圈式绝对型编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富余较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。
3.3.3 性能指标
1.分辨率
编码器以每旋转360°提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度或直接称多少线，一般在每转分度5～10000线。
2.信号输出
有正弦波（电流或电压）、方波（TTL、HTL）、集电极开路（PNP、NPN）、推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A、A-；B、B-；Z、Z-），HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。
3.信号连接
编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、PC，PLC和PC连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。
如单相连接，用于单方向计数，单方向测速。
A、B两相连接，用于正反向计数、判断正反向和测速。
A、B、Z三相连接，用于带参考位修正的位置测量。
A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。
对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150m。
对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300m。
3.3.4 PLC与旋转编码器之间的连接
不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不同，有的旋转编码器输出A、B、Z三相脉冲，有的只有A、B相两相，最简单的只有A相。
电气接口，编码器输出方式常见有推拉输出（F），电压输出（E），集电极开路（C，常见C为NPN型晶体管输出，C2为PNP型晶体管输出）。
一般编码器的工作电源有三种：DC 5V、DC 5～12V或DC 12～24V。如果要用PLC的24V电源，就得选用DC 5～24V电压的编码器。
现以常用的A、B、Z三组脉冲，NPN集电极（C）开路输出，工作电源为5～24V的旋转编码器与三菱FX2N PLC的连接为例来说明它的接线，编码器有5条引线，其中3条是脉冲输出线，1条是COM（0V）线，1条是电源线。编码器的电源可以是外接电源，也可直接使用PLC的DC 24V电源。电源负端要与编码器的COM端连接，“+”与编码器的电源端连接。编码器的COM端与PLC输入COM端连接，A、B两相脉冲输出线直接与PLC的输入端连接，连接时要注意PLC输入的响应时间，由于编码器脉冲输出频率较高，所以编码器的脉冲输出端一般接PLC的高速计数输入端X0～X5。当然，我们在使用时只需要用到其中的一相脉冲输出时，此时可随便选择其中的A相或B相来进行接线就可以了，不用的可以不接。另外，有的旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地。
图3-31 PLC输入与旋转编码器之间的连接图
综上分析，PLC输入与旋转编码器之间的连接如图3-31所示。