什么是编码器？编码器与S7-200 SMART PLC的接线

编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，主要利用光栅衍射的原理来实现位移与数字变换，通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量。

编码器以其结构简单、精度高、寿命长等特点，广泛应用于定位、测速和定长等场合。

编码器按工作原理的不同，可以分为增量式编码器和绝对式编码器。

1. 增量式编码器

增量式编码器提供了一种对连续位移量离散化、增量化以及位移变化（速度）的传感方法。增量式编码器的特点是每产生一个增量位移就对应于一个输出脉冲信号。增量式编码器测量的是相对于某个基准点的相对位置增量，而不能够直接检测出绝对位置信息。

增量式编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。在码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期。检测光栅上刻有A、B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线，它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差 90°。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差 90°的近似于正弦波的电信号，正弦波经过转换电路的信号处理，会得到矩形波，进而就可以得到被测轴的转角或速度信息。    

增量式编码器组成部件及原理

一般来说，增量式光电编码器输出 A、B  两相相位差为 90°的脉冲信号（即所谓的两相正交输出信号），根据 A、B 两相的先后位置关系，可以方便地判断出编码器的旋转方向。另外，码盘一般还提供用作参考零位的 Z 相标志脉冲信号，码盘每旋转一周，会发出一个零位标志信号。

增量式编码器输出信号

2. 绝对式编码器

绝对式编码器的原理及组成部件与增量式编码器基本相同，与增量式编码器不同的是，绝对式编码器用不同的数字码来表示每个不同的增量位置，它是一种直接输出数字量的传感器。

绝对式编码器的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条码道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数。在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件。当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 n 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有 n条码道。

绝对式编码器原理图

根据编码方式的不同，绝对式编码器的码盘分为两种形式，分别为二进制码盘和格雷码盘。

绝对式编码器码盘

绝对式编码器的特点是不需要计数器，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，即直接读出角度坐标的绝对值。另外，相对于增量式编码器，绝对式编码器不存在累积误差，并且当电源切除后位置信息也不会丢失。

3.  编码器输出信号类型

编码器的信号输出有集电极开路输出、电压输出、线驱动输出和推挽式等多种信号输出形式。

（1）集电极开路输出式

集电极开路输出式以输出电路的晶体管发射极作为公共端，并且集电极悬空的输出电路。根据使用的晶体管类型不同，可以分为NPN集电极开路输出式和PNP集电极开路输出式两种形式。

NPN 集电极开路输出式

PNP集电极开路输出式

（2）电压输出式

电压输出式是在集电极开路输出电路的基础上，在电源和集电极之间接了一个上拉电阻，这样就使得集电极和电源之间能有了一个稳定的电压状态。一般在编码器供电电压和信号接受装置的电压一致的情况下使用这种类型的输出电路。

电压输出型

（3）推挽式

推挽式输出方式由两个分别为 PNP 型和 NPN 型的三极管组成。当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断，两个输出晶体管交互进行动作。

推挽式输出

这种输出形式具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此在低阻抗情况下它也可以提供大范围的电源。由于输入、输出信号相位相同且频率范围宽，因此它还适用于长距离传输。

推挽式输出电路可以直接与 NPN 和 PNP 集电极开路输入的电路连接，即可以接入源型或漏型输入的模块中。

（4） 线驱动输出式

线驱动输出接口采用了专用的 IC芯片，输出信号符合RS-422 标准，以差分的形式输出，因此线驱动输出信号抗干扰能力更强，可以应用于高速、长距离数据传输的场合，同时还具有响应速度快和抗噪声性能强的特点。

线驱动输出式

需要说明的是，除了上面所列的几种编码器输出的接口类型外，现在好多厂家生产的编码器还具有智能通信接口，比如PROFIBUS总线接口。这种类型的编码器可以直接接入相应的总线网络，通过通信的方式读出实际的计数值或测量值，这里不做说明。

4. 编码器与S7-200 SMART PLC的接线

（1）PNP输出型编码器与S7-200 SMART PLC的接线

PNP输出型编码器与S7-200 SMART PLC接线时，按漏型输入接法。

PNP输出型编码器与S7-200 SMART PLC的接线

（2）NPN输出型编码器与S7-200 SMART PLC的接线

NPN输出型编码器与S7-200 SMART PLC接线时，按源型输入接法。

NPN输出型编码器与S7-200 SMART PLC的接线

5. 增量式编码器的选型

在增量式编码器选型时，可以综合考虑以下几个参数。

（1）电源电压

电源电压是指编码器外接供电电源的电压，一般为直流 5～24V。

（2）分辨率

分辨率是指编码器旋转一圈输出的脉冲数，工程中一般称输出多少线。编码器厂家在生产编码器时，通常也会将同一型号的产品分成不同的分辨率。分辨率一般在 10～10000线之间，当然了，也有分辨率更高的产品。

（3）最高响应频率

最高响应频率是指编码器输出脉冲的最大频率。常见的最高响应频率有50kHz和100kHz。

（4）最高响应转速

最高响应转速是指编码器运行的最大转速，它取决于编码器的分辨率和最高响应频率。最高响应转速的计算公式如下：

（5）输出信号类型

输出信号有集电极开路输出、电压输出、线驱动输出和推挽式等多种信号输出形式，详见“3.编码器输出信号类型”。

（6）输出信号方式

编码器的输出信号方式有三种，分别为单脉冲输出型、A/B/Z三相脉冲输出型和差动线性驱动脉冲输出型。其中以A/B相脉冲输出最为常用。

1) 单脉冲输出型。单脉冲输出是指输出1个占空比为50%脉冲波形。单脉冲输出分辨率较低，常用于转速测量和脉冲计数等场合。

单脉冲输出型

2) A/B/Z三相脉冲输出型。A/B/Z三相脉冲输出是增量式编码器最常用的输出信号方式。其中可以由A/B相脉冲相位的超前和滞后关系，来判断增量式编码器是正转还是反转。如果从增量式编码器的轴侧看，编码器顺时针旋转即正转，波形是A相脉冲在相位上超前B相脉冲90°，如下图a所示；如果从增量式编码器的轴侧看，编码器逆时针旋转即反转，波形是A相脉冲在相位上滞后B相脉冲90°，如下图b所示；Z相脉冲为零位标志脉冲，编码器每转1圈发出1个脉冲。

A/B/Z三相脉冲输出型

3) 差动线性驱动脉冲输出型。差动线性驱动脉冲输出型为一对互为反相的脉冲信号。这种输出信号由于取消了信号地线，对以共模出现的干扰信号有很强的抗干扰能力。工业环境中，因其能传输更远的距离有更为广泛的应用。

差动线性驱动脉冲输出型

作者：韩相争

长期从事自动化工程设计和技术研究，取得发明和实用新型专利多项，近年来著工控类书籍多部，如《彻底学会S7-200 SMART PLC》《西门子PLC、触摸屏、变频器、组态软件一本通》《西门子S7-200 SMART PLC编程技巧与案例》《三菱FX系列PLC编程速成全图解》等，两部图书获中国石油化工联合会优秀出版物一、二等奖，其作品以图文并茂和实用性广受读者好评，长居PLC排行榜前列。

编辑：黄飞