APDahlen Applications Engineer
直交エンコーダとは何でしょうか
直交エンコーダは、シャフトの回転に関連するパラメータを測定するために使用されるセンサです。プログラミングにより、関連するプログラマブルロジックコントローラ（PLC：Programmable Logic Controller）はシャフトの回転方向、位置、および回転速度を追跡することができます。産業環境では、直交（インクリメンタル）エンコーダは多くの場合、モータやメカニズムに取り付けられる単体のセンサとして販売されています。この組み合わせにより、マシンの動きの細かい計測が容易になります。
この短い記事では、Schneider ElectricのModicon M221 PLCのモデル TM221CE24T を備えた直交エンコーダアプリケーションと、Bannerの DS18VP6LP レトロリフレクト光センサを備えたデモ用直交エンコーダについて説明します。これらの構成を図1に示します。
技術的なヒント： 直交（インクリメンタル）エンコーダは常にデジタルシステムの一部として使用されます。対応するPLCまたはマイクロコントローラは、エンコーダのAラインとBラインの位相遷移をカウントすることで位置を決定します。遷移を確認できないと位置の計算が損なわれるため、このデバイスのハードウェアとソフトウェアの速度は非常に重要です。
このテーマについて初めての方は、こちらの紹介記事で直交エンコーダについて詳しく学ぶことができます。
図1： Bannerのレトロリフレクト光センサを搭載した直交エンコーダのデモ機の写真。後方にはModicon PLCが見えます。
直交エンコーダはどの程度普及していますか？
直交エンコーダをPLCに組み込むことは、よく見られるアプリケーションです。実際に、PLCメーカーがセンサに対応するソフトウェアとハードウェアを提供するほどに一般的です。これにより、マシンの設計と統合が簡素化されます。また、高性能と高速アプリケーションも可能となります。高品質のエンコーダを使用することで、高速で動くメカニズムを高分解能で測定することができます。例えば、産業用機械にはモータ駆動のリニアベッドがあります。直交エンコーダを組み込むことで、機械部品のバックラッシュによって性能が制限されるメカニズムのミリメートル以下の位置決めが可能になります。
直交エンコーダは、PLCに物理的にどのように接続されていますか?
直交エンコーダとPLC間の物理的接続は最小限に抑えられています。最も単純な構成では、センサに電力を供給するための24V DCとリターンおよびエンコーダ出力のAおよびBの配線の4本の配線が必要です。シールド線が必要な場合もあります。一部の直交エンコーダは、エンコーダのシャフトのゼロポジション（トップセンター）を示す3番目の信号「インデックス」出力を備えています。
多くの直交エンコーダは、PLCの24V DC入力に直接接続します。そのため、ほとんどのPLC入力に直接接続できるPNP出力のエンコーダを選択すると便利です。PNPおよびNPNタイプのセンサとPLCへの接続の詳細については、この技術資料を参照してください。
Modicon M221 の属性
Modicon M221 のPLCはモーションアプリケーション用に設計されています。専用の高速カウンタを内蔵しており、直交エンコーダをモニタし、追跡するように構成することができます。例えば、PLCをサーボモータに接続し、そのサーボモータを制御するようにプログラムすることができます。このサーボモータには、シャフト、トランスミッション、またはその他のメカニカルコンポーネントに直接結合された直交エンコーダが搭載されている場合があります。
直交エンコーダのセンサからのフィードバックに基づいてPLCがサーボモータを制御する場合、サーボモータのフィードバックループが構成されることがあります。このようなアプリケーションでは、ミスカウント（A信号とB信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの識別不具合）によって位置が破損し、装置を損傷したり、作業員に危害が及ぶ可能性があるため、PLCの速度が重要になります。誤動作した機器は、マシンの終端のストッパに衝突したり、機械的ストレスの高い不規則な動きをしたりする可能性があります。
この問題を防ぐため、Modiconは100kHzという高い周波数に応答する高速カウンタ（HSC）を備えています。このカウンタは、特定の機械のニーズを満たすために、いくつかの異なる直交エンコーダモードの1つで構成することができます。ポジションのカウントは、ワード（0～65535カウント）またはダブルワード（0～4294967295）を使用できます。
Modiconの高速カウンタの設定
高速カウンタ（HSC）の設定ウィザードを図2に示します。時間の節約のため、図1のハードウェアに直接関連する属性のみを調べます。直交エンコーダのデモ機が1回転あたり16カウントの機能を備えていることを思い出してください。これを実現するためには、A信号とB信号が変化するエッジごとに遷移する必要があります。
設定は以下のとおりです。
- Type of HSC：直交エンコーダカウンタとして「Dual Phase」を選択します。
- Input Mode：直交エンコーダのA出力とB出力のエッジが変化するごとにステートが遷移するように「Quadrature x4」を選択します。
- 0 ～ 2^{32} をカウントするために、「Double Word」のボックスにチェックを入れます。
- デフォルトでは、高速入力「%I0.0」と「%I0.1」をA信号とB信号に使用します。
繰り返しますが、これは指定のハードウェアを使ったデモンストレーションに最適なセットアップです。あなたのニーズに合わせてシステムを設定してください。
図2： 直交エンコーダインターフェース用のModicon高速カウンタの設定
直交エンコーダを読み取るための最小限のプログラム
図3は、直交エンコーダの読み出しに必要なラダーロジックです。HSCブロックは使用する前にインスタンス化する必要があることに注意してください。HSCブロックは「IN 」信号を介して「ラングにハング」（1行目に配置）されます。HSCブロックをイネーブルにするには、この信号がTRUEと評価されなければなりません。S入力をアクティブにするとカウントがリセットされます。
Modiconの多くのファンクションブロックと同様に、様々なエレメントにアクセスするには、ドット記法を使用する必要があります。例えば、オーバーフロー（%HSCi.F）、回転方向（%HSCi.U）、カウントそのもの（ワードの場合は%HSCi.V、ダブルワードの場合は%HSCi.VD）を示すメモリ素子があります。
技術的なヒント： Modicon PLCを初めて使用する方で、Arduinoの使用経験がある場合は、この記事を参考にしてください。 この記事では、Arduinoマイクロコントローラの視点を通して、Modiconメモリ素子を紹介しています。
図3の第2ラング（2行目：Rung 1）は、ダブルワード値を取得する方法を示しています。HSC0.VDデータは%MD0メモリロケーションにコピーされます。この図では、直交カウントが136まで進んでいることがわかります。図1に示した1回転あたり16カウントのハードウェアを使用すると、システムは8.5回転を完了したと計算できます。
HSCとModicon全般に関するより詳細な情報は、EcoStructure Machine Expertの資料を参照してください。この資料は、Machine Expertプログラム自体のヘルプの疑問符をクリックすることで見つけることができます。高速カウンタ（%HSC）の章から始めてください。
図3： Modicon高速カウンタを読み出すためのラダーロジックプログラム。HSCブロックは第1ラング（Rung 0）でインスタンス化され、第2ラング（Rung 1）で直交エンコーダのカウントが読み出されます。
おわりに
この技術概要では、直交エンコーダを搭載したマシンの自動化について、ほんの表面的な部分を取り上げたに過ぎません。モータドライブと制御システムについては、これから検討します。おそらく、より重要なことは、マシンの動作と、作業員と技術者の両方を補完するマシンの動作とそのマシンの設計方法について、まだ検討していないことです。
Modicon PLCに関しては、この記事で簡単な直交エンコーダのデモンストレーションを行いました。例えるなら、私たちはA地点からB地点まで全力疾走したようなものです。HSCのすべてのオプションについては必ず戻って「バラのことわざ」の例えのようにゆっくり学習してください。
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APDahlen
著者について
Aaron Dahlen 氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間教壇に立ったことによってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチや執筆を楽しんでいます LinkedIn | Aaron Dahlen - Application Engineer - DigiKey