绝对值编码器原理.docx
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绝对值编码器原理
从增量值编码器到绝对值编码器旋转增量值编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来计算其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。
这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备计算并记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。
解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。
在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。
为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。
这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。
绝对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，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2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。
从单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器
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度时，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度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。
如果要测量旋转超过360度范围，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。
多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，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。
绝对值编码器长度测量的应用
一．绝对值旋转编码器的机械安装：
绝对值旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装置安装等多种形式。
1．高速端安装：
安装于动力马达转轴端（或齿轮连接），此方法优点是分辨率高，由于多圈编码器有４０９６圈，马达转动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向控制定位。
另外编码器直接安装于高速端，马达抖动须较小，不然易损坏编码器。
2．低速端安装：
安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端，此方法已无齿轮来回程间隙，测量较直接，精度较高。
另外，GPMV0814机械转数为90圈，用此方法较合理，如果卷筒转数超过90圈，可用1：
3或1：
4齿轮组调整至转数测量范围内。
3．辅助机械安装，收绳机械安装：
钢丝绳弹簧收紧器原理图
1．收拉钢丝绳
2．测量盘
3．收紧弹簧轮1
4．收紧弹簧轮2
5．专用弹簧
6．弹性联轴器
7．编码器
用钢丝绳收绳器测量
油缸行程示意图
收绳机械有弹簧自收绳位移传感器――柔性钢丝绳连接运动物体，钢丝绳盘紧在一个测量轮上，依靠恒力弹簧回收钢丝绳。
编码器连接于盘紧测量轮轴端，测量钢丝绳来回运动的旋转角度。
重锤重力收绳：
重锤浮子水位测量示意图
1编码器
2联轴器
3测量轮
4重锤收紧轮
5钢丝绳
6浮子
测量轮与恒力弹簧弹簧型相似，只是钢丝绳的回收力是依靠另一个同轴的盘紧轮挂重锤来回收。
用收绳位移测量的优点是柔性连接，测量直接而精度高，对运动物体的环境如震动、粉尘、高温水气的场合都能适用。
机械丝杠、摩擦轮、小车轮轴中心、齿轮齿条连接
在机械丝杠转轴中心安装编码器，丝杠前进1个螺距，编码器旋转一周。
通过带摩擦阻力的摩擦转轮，与相对运动物体摩擦转动，测量运动距离。
注意：
摩擦轮需始终紧靠测量物，且无跳动、打滑。
（实际使用中，某些场合有难度）
通过轨道小车的转轮中心，安装旋转编码器，测量小车行进。
小车与轨道之间不可有打滑
运动物连接齿条，带动装有齿轮的编码器，测量运动物体移动距离
为保证连紧密抗震，经常有弹簧基座。
二．绝对值编码器的信号输出
绝对值编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出
1．并行输出：
绝对值编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。
但是并行输出有如下问题：
1。
必须是格雷码，因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。
2。
所有接口必须确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判断。
3。
传输距离不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。
4。
对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。
2．串行SSI输出：
串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有RS232、RS422（TTL）、RS485等。
由于绝对值编码器好的厂家都是在德国，所以串行输出大部分是与德国的西门子
配套的，如SSI同步串行输出。
SSI接口（RS422模式），以两根数据线、两根时钟线连接，由接收设备向编码器发出中断的时钟脉冲，绝对的位置值由编码器与时钟脉冲同步输出至接收设备。
由接收设备发出时钟信号触发,编码器从高位（MSB）开始输出与时钟信号同步的串行信号,SSI标准的信号当不传送信号时,时钟和数据位均是高位,在时钟信号的第一个下降沿,编码器的当前值开始贮存,从时钟信号上升沿开始,经T2延迟时间后，编码器数据信号开始传送.t3为恢复信号,等待下次传送。
T=0.9—11us每个脉冲周期n为编码器总位数
t1>0.45us每个脉冲半周期
t2≤0.4us数据输出延迟时间
t3=12—35us数据恢复（熄灭）时间
串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和可靠性就大大提高了。
一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。
3．现场总线型输出
现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号线连接在一起，通过设定地址，用通讯方式传输信号，信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号。
总线型编码器信号遵循RS485的物理格式，其信号的编排方式称为通讯规约，目前全世界有多个通讯规约，各有优点，还未统一，编码器常用的通讯规约有如下几种：
PROFIBUS-DP；CAN；DeviceNet；Interbus等
总线型编码器可以节省连接线缆、接收设备接口，传输距离远，在多个编码器集中控制的情况下还可以大大节省成本。
4．变送一体型输出
我公司提供的GPMV0814、GPMV1016绝对编码器，其信号已经在编码器内换算后直接变送输出，其有模拟量4—20mA输出、RS485数字输出、14位并行输出。
三．连接绝对编码器的电气二次设备：
连接绝对值编码器的设备可以是可编程控制器PLC、上位机，也可以是专用显示信号转换仪表，由仪表再输出信号给PLC或上位机。
1．直接进入PLC或上位机：
编码器如果是并行输出的，可以直接连接PLC或上位机的输入输出接点I/O，其信号数学格式应该是格雷码。
编码器有多少位就要占用PLC的多少位接点，如果是24伏推挽式输出，高电平有效为1，低电平为0；如果是集电极开路NPN输出，则连接的接点也必须是NPN型的，其低电平有效，低电平为1。
2．编码器如果是串行输出的，由于通讯协议的限制，后接电气设备必须有对应的接口。
例如SSI串行，可连接西门子的S7-300系列的PLC，有SM338等专用模块，或S7-400的FM451等模块，对于其他品牌的PLC，往往没有专用模块或有模块也很贵。
3．编码器如是总线型输出，接受设备需配专用的总线模块，例如PROFIBUS-DP。
但是，如选择总线型输出编码器，在编码器与接收设备PLC中间，就无法加入其他显示仪表，如需现场显示，就要从PLC再转出信号给与信号匹配的显示仪表。
有些协议自定义的RS485输出信号进PLC的RS485接口，需PLC具有智能编程功能。
4．连接专用显示转换仪表：
针对较多使用的SSI串行输出编码器，我公司提供专用的显示、信号转换仪表，由仪表进行内部解码、计算、显示、信号转换输出，再连接PLC或上位机。
其优点如下：
a.现场可以有直观的显示，直接在仪表上设置参数。
b.专用程序读码解码、容错、内部计算，可以大大减少各个项目的编程工作量，提高稳定和可靠性。
信号输出是由内部数字量直接计算，快速、准确。
c.信号输出有多种形式，灵活方便，后面可连接各种PLC或上位机，通用性强。
我公司各类连接SSI编码器的仪表一览表：
GP1312
（C表、标准表）
16位并行码推挽式输出、4—20mA两路模拟量、8个预置位置开关、
4位显示、非线性换算、面板置位等通用功能
GP1312/C2
（C2表，
双路纠偏表）
双吊点同步纠偏型，16位并行码推挽式选通输出，9个预置开关输出，含双路超偏纠偏信号，两路4—20mA模拟量输出，其中一路为差值量输出。
双4位显示、非线性换算、面板置位等通用功能
GP1312RL
（RL表、
现场变送表）
一路4—20mA模拟量输出；一路RS485输出。
非线性换算，外部置位等
GP1312BS
（BS表、电子凸轮开关组）
八个电子凸轮位置开关，每个开关具有开到位和恢复位，
一路4—20mA模拟量输出；一路RS485输出。
4位显示，非线性换算，外部置位等
GPMV0814、GPMV1016三位一体型
GPMV0814绝对多圈编码器，其光电码盘读码解码、显示设定、信号转换三位一体，输出4—20mA模拟量、并行数字量RS485通讯可同时输出，连接各类PLC和上位机。
一般的应用，可选同时两组输出型，一组信号连接PLC，另一组连接显示仪表，如需要增加开关输出，可从显示仪表设定输出。
S7-300沒有現成的轉換功能塊，我使用了富士的SPH編寫了一個功能塊，由于富士的和西門子都支持IEC61131-3編程規范，那么應該很簡單的轉換為西門子的功能塊。
在精确定位控制系统中，为了提高控制精度，准确测量控制对象的位置是十分重要的。
目前，测量位置的方法主要有2种，其一是使用位置传感器，此方法精度高，但是在多路，长距离位置监控系统中，由于成本昂贵且安装困难，因此并不实用。
其二是采用光电轴角编码器进行精确位置控制，光电轴角编码器根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
而绝对式编码器是直接输出数字量的传感器，它是利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的，编码的设计一般是采用自然二进制码、循环二进制码、二
进制补码等。
特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码；抗干扰能力强，没用累积误差；电源切断后位置信息不会丢失，但分辨率是由二进制的位数决定的，根据不同的精度要求，可以选择不同的分辨率即位数。
目前有10 位、11 位、12 位、13 位、14 位或更高位等多种。
其中采用循环二进制编码（即格雷码）的绝对式编码器，其输出信号是一种数字排序,不是权重码，每一位没有确定的大小，不能直接进行比较大小和算术运算，也不能直接转换成其他信号，要经过一次码变换，变成自然二进制码，在由上位机读取以实现相应的控制。
而在码制变换中有不同的处理方式，本文着重介绍富士SX系列中使用编程的方法对二进制格雷码与自然二进制码的互换。
一、格雷码（又叫循环二进制码或反射二进制码）介绍
在数字系统中只能识别0 和1，各种数据要转换为二进制代码才能进行处理，格雷码是一种无权码，采用绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。
格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式，因为，自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但某些情况，例如从十进制的3 转换成4 时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。
而格雷码则没有这一缺点，它是一种数字排序系统，其中的所有相邻整数在它们的数字表示中只有一个数字不同。
它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化。
它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。
另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫格雷反射码或循环码。
下表为几种自然二进制码与格雷码的对照表：
十进制数
自然二进制
格雷码
十进制
自然二进制
格雷码
0
0000
0000
8
1000
1100
1
0001
0001
9
1001
1101
2
0010
0011
10
1010
1111
3
0011
0010
11
1011
1110
4
0100
0110
12
1100
1010
5
0101
0111
13
1101
1011
6
0110
0101
14
1110
1001
7
0111
0100
15
1111
1000
二、二进制格雷码与自然二进制码的互换
1、自然二进制码转换成二进制格雷码
自然二进制码转换成二进制格雷码，其法则是保留自然二进制码的最高位作为格雷码的最高位，而次高位格雷码为二进制码的高位与次高位相异或，而格雷码其余各位与次高位的求法相类似。
例如：
自然二进制编码如下：
1
0
0
1
那么转换为格雷码的方法是：
保留最高位1，然后将第二位0与第一位1做异或操作，第三位的0与第二位的0做异或操作，第四位的1与第三位的0做异或操作，得到结果如下：
1 1 0 1 Gray
2、二进制格雷码转换成自然二进制码
二进制格雷码转换成自然二进制码,其法则是保留格雷码的最高位作为自然二进制码的最高位，而次高位自然二进制码为高位自然二进制码与次高位格雷码相异或，而自然二进制码的其余各位与次高位自然二进制码的求法相类似。
例如将格雷码1000转换为自然二进制码：
1
0
0
0
1
1
1
1
上排为格雷码，下排为自然二进制，从左到右分别为1~4位
将上排的第一位高位作为自然二进制的最高位，因此在下排的第一位填入1，然后以上排第二位与下排第一位做异或操作，得到下排第二位结果为1，将上排第三位与下排第二位做异或操作，得到下排第三位的结果为1，同理，下排第四位的结果为1，因此，我们得到了转换结果 如下：
1 1 1 1 Bin
三、自然二进制码与格雷码互换在富士SX系列PLC中的实现方法：
1． 自然二进制码转换为格雷码：
根据自然二进制码转换为格雷码的转换规则，实际上就是将转换数右移一位后与转换数做异或操作。
程序流程图如下：
保存输入数 TEMP
将TEMP右移一位，保存SHILETEMP
将移位后的数据与原数据作异或
返回异或后的数据
功能块中的程序如下：
INPUT 输入变量类型为DWORD
TEMP 局部变量类型为DWORD
SHILETEMP 局部变量类型为DWORD
BIN_TO_GRAY 功能块返回变量返回类型为DWORD
BIN_TO_GRAY:
TEMP:
=INPUT;
SHILETEMP:
=SHR_DWORD（TEMP,UNIT#1）;
BIN_TO_GRAY:
=SHILETEMP XOR INPUT;
2. 格雷码转换为自然二进制码
根据格雷码转换为自然二进制码的转换规则，实际上就是不断的将格雷码与二进制数做异或操作，也就是说，不断的和本身的不同位数做异或操作，如原数据为32位的A，那么先将A向右移动一位，与本身进行异或，然后保留值为B,那么继续将A向右移动一位，与B进行异或，保留为C,依次类推，直到A=1为止。
程序流程图如下：
保存输入数 TEMP,INPUT1
如果输入数为0，那么直接返回数据0后退出
如果TEMP不等于1，那么循环，否则返回数据
TEMP右移1位，与输入值作不断异或
功能块中的程序如下：
INPUT 输入变量类型为DWORD
TEMP 局部变量类型为DWORD
INPUT1 局部变量类型为DWORD
GRAY_TO_BIN 功能块返回变量返回类型为DWORD
GRAY_TO_BIN:
TEMP:
=INPUT;
INPUT1:
=INPUT;
IF TEMP=DWORD#0 THEN
INPUT1:
=DWORD#0;
GRAY_TO_BIN:
=INPUT1;
RETURN;
END_IF;
WHILE TEMP<>DWORD#1 DO
TEMP:
=SHR_DWORD（TEMP,UINT#1）;
INPUT1:
=TEMP XOR INPUT1;
END_WHILE;
GRAY_TO_BIN:
=INPUT1;
上述代码在富士的SX系列PLC中试验没有问题，由于富士的SX系列PLC完全支持ST代码方式的编程，因此基本上可以不做修改的应用在西门子的S7系列的PLC中。
由于三菱的PLC中已经包含了自然二进制码转换为格雷码指令GRY以及格雷码转换为自然二进制码指令GBIN，因此上述代码应用于三菱系列的PLC已经没有意义，请使用三菱PLC本身附带的指令，因为西门子以及富士的SX系列PLC并没有附带转换指令，因此本人书写了上述代码用于补充SX系列的指令不足。
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