什麼是正交編碼器?
正交編碼器是一種感測器，用於測量與軸旋轉相關的參數。透過編程，相關的可編程邏輯控制器（PLC）可以追蹤軸的旋轉方向、位置和旋轉速度。在工業環境中，正交（增量）編碼器通常作為一個獨立的感測器出售，可以附加到馬達或機械上。這種組合便於對機器的運動進行精細測量。
在這篇短文中，我們將探討一個採用 Schneider Electric 的 Modicon M221 PLC 型號 TM221CE24T 的正交編碼器應用，以及一個採用 Banner Engineering 的 DS18VP6LP 反向反射感測器的示範正交編碼器。這些組件如圖 1 所示。
小貼士：正交（增量）編碼器總是作為數字系統的一部分使用。對應的 PLC 或微控制器透過計算編碼器 A 和 B 線上的相變來確定位置。該設備的硬體和軟體速度至關重要，因為錯過的轉換將破壞位置的計算。
圖 1 ：採用 Banner 反射感測器的示範正交編碼器圖片。背景中可以看到 Modicon PLC。
正交編碼器有多普遍?
將正交編碼器與 PLC 結合是常見的應用。事實上，它是如此普遍，PLC 製造商包括軟體和硬體，以適應感測器。這簡化了機器的設計和整合。它還允許高效能和高速應用。有了高品質的編碼器，這就可以對快速移動的機構進行精細的分辨率測量。例如，工業機器可能包括電機驅動的線性床。結合正交編碼器可實現該機構的亞毫米級定位，其性能受機械部件的間隙限制。
正交編碼器如何物理連接到 PLC?
正交編碼器和 PLC 之間的物理連接是最小的。最簡單的配置需要 4 根電線，包括 24 個 VDC 和 1 個返回到感測器的電源，以及 A 和 B 編碼器輸出的電線。可能有屏蔽線。有些正交編碼器有第三個「索引」輸出，指示編碼器軸的零度（頂部中心）位置。
許多正交編碼器直接連接到 PLC 的 24 個直流輸入。因此，選擇具有 PNP 輸出的編碼器很方便，因為這允許直接連接到大多數 PLC 輸入。以了解更多有關 PNP 和 NPN 型感測器以及與 PLC 連接的更多資訊，請參考另一文「Applications of Type PNP and NPN Sensors」。
Modicon M221 的屬性
Modicon M221 PLC 專為運動應用而設計。它包含專用高速計數器，可配置為監控和追蹤正交編碼器。例如，PLC 可以連接到然後編程來控制伺服馬達。這個伺服馬達可能有一個正交編碼器直接耦合到它的軸，傳動，或其他機械部件。
當 PLC 根據來自正交感測器的回授控制馬達時，可以構造伺服回授迴路。PLC 的速度對於這樣的應用至關重要，因為錯過計數（識別 A 和 B 訊號的上升沿和下降沿）將導致位置損壞，並且極有可能損壞設備或對人員造成傷害。錯誤的設備可能會撞到機器端停止或不穩定的高機械應力運動。
為了防止這個問題，Modicon 具有高速計數器（HSC），將響應頻率高達 100kHz。此計數器可以配置幾種不同的正交模式之一，以滿足您特定機器的需求。位置計數可以使用一個字（0到65535計數）或雙字（0到4294967295）。
Modicon 高速計數器的配置
高速計數器（HSC）配置精靈如圖 2 所示。為了節省時間，我們將只探索與我們的圖 1 硬體直接相關的屬性。回想一下，正交編碼器演示器的特徵是每轉 16 次計數。為了實現這一點，我們必須在 A 和 B 訊號的每個變化邊緣上進行轉換。
配置描述為:
HSC 類型：為正交計數器選擇雙相。
輸入模式：選擇 Quadrature x4 在編碼器的 A 和 B 輸出的每個變化邊緣上轉換。
檢查「Double Word」框以獲得從 0 到 232 的計數
預設情況下，高速輸入%I0.0 和 %I0.1 用於 A 和 B 訊號。
同樣，這是使用給定硬體進行演示的最佳設定。一定要根據您的需求配置系統。
圖 2 ：用於正交編碼器介面的 Modicon 高速計數器的配置。
極簡程式讀取正交編碼器
圖 3 給出了讀取正交編碼器所需的梯形邏輯。請注意，HSC 區塊必須在使用之前實例化。它透過「IN」信號動作。這必須被評估為 true 才能啟用 block。啟動 S 輸入重置計數。
像許多 Modicon 的功能塊一樣，我們需要使用點符號來存取各種元素。例如，有記憶體元素表示溢位（%HSCi.F）、旋轉方向（%HSCi.U）和計數本身（%HSCi.V 表示帶有 %HSCi.VD 表示雙字）。
小貼士：如果您是 Modicon PLC 的新手並且有一些 Arduino 經驗，您可能需要閱讀這篇文章「 Introduction to the Modicon PLC UDFB」。
圖 3 的第 2 條顯示如何檢索雙字值。HSC0.VD 資料被複製到 %MD0 記憶體位置。在這張圖中，我們注意到正交計數已經提升到 136。考慮到圖 1 中顯示的每轉 16 次的硬件，我們可以計算出系統已經完成了 8.5 轉。
有關 HSC 和 Modicon 的更多資料，請務必瀏覽 EcoStructure 機器專家文件。您可以透過點擊機器專家程式本身的說明問號來尋找文件。您可以從探索高速計數器（%HSC）一章開始。
圖 3：讀取 Modicon 高速計數器的階梯邏輯程式。區塊在第 1 檔被實例化，正交編碼器的計數在第 2 檔被讀取。
一些想法
當涉及到自動化一台具有正交編碼器的機器時，這個工程簡介只是觸及表面。我們還沒有探索電機驅動和控制系統。也許更重要的是，我們還沒有探索機器的行為，以及如何設計一種機器來補充操作員和技術人員。
關於 Modicon PLC，本筆記提供了一個簡單的正交編碼器示範。作為一個類比，我們盡可能快地從 A 點到 B 點。一定要回去聞一下眾所周知的玫瑰和 HSC 的所有配置選項。