原创 快速增量编码器接口（一）

简单快速的测量位置变化

  马超群(Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430) 

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加工机械位置系统、精密测量仪器以及搬运机器人需要快速的记录位置数据，也需要快速的识别出任何变化。

高分辨率编码器和光栅尺通过一个编码器接口反馈位置数据给控制中心。选择的这个接口必须满足控制单元对时间的要求。对于设计者，拥有太多的编码器接口可供选择，这样就使得选择编码器接口的任务和完成这个任务一样的复杂。

除了那些众多的专有数字接口，也有一些开放的标准接口，例如，SSI和BiSS接口用于绝度位置读取。然而，如果方向上的或一个非常高的位置分辨率变化需要一个快速的捕获，串行数据接口的吞吐能力是有限的。

作为另一个选择，有很多传统的开放编码器接口可供传输位置数据，例如使用正弦/余弦信号或者增量A/B信号传输位置数据都很好。

下面的文章描述这方面的需求、替代选择以及可行的解决方案。

                                          目录

1）  选择编码器接口

2）  使用当前值快速控制

3）  仅仅计数是不够的！

4）  构建一个快速编码器接口

5）  摘要

1） 选择编码器接口

在使用控制器或者PLC的线性/旋转编码器的系统中调用一个接口模块（如图1）。很多控制器厂商提供一定范围的专有或者开源接口。

模拟接口

模拟接口是传统的非专有接口，传输位置信息使用模拟信号。在接收方，既可以使用正弦/余弦值供插补细分器细分，也可以使用电流或者电压信号（例如，0-20mA 或 0-10V）确定绝对位置。后者是非常通用的接口，用于简单的位置编码器。在安全应用领域，模拟差分正弦/余弦信号收发器是优先选择的，差分信号的错误第一时间可以被检测到，因此适合这类应用。

图1：控制器或PLC的编码器接口

数字绝对值接口

最快的传输数字绝对位置数据的方法是通过一个并行接口。这个接口通常由TTL驱动器担当。然而，并行接口线缆的成本非常高，因为这个原因这种方法不是特别受欢迎。其他方法越来越流行了，包括使用标准的非专有现场总线用于串行传输，例如，CANopen、以太网以及开源的SSI/BiSS接口。

数字增量接口

另一个传统串行编码器接口使用两个相移90°的A和B信号提供增量传输位置变化数据，就是众所周知的正交信号。另外，一个Z脉冲信号提供零位信号用于零位探测。对于增量接口，一个方向上的改变由A到B信号的相移或者B到A信号的相移变化表示。

图2所示的是一个靠近零位置的方向改变时序图。这里给出的是一个旋转运动方向改变时的分辨率，是一个角度，滞后1.4°。如图所示，A，B增量信号相移允许探测方向用于向下和向上的计数。

在这个例子里，一个循环内，A/B信号提供360°的边沿（H至L或者L至H）。方向鉴别器必须评估这些边沿的相位差以及激活向上/向下计数器。这例子是编码器当时的绝对位置信息。

图2：增量编码器接口和A,B,Z信号时序图

增量编码器接口的优越性在于低成本和对线缆的低要求。典型的配置包括TTL驱动器输出、集电极开路输出以及线驱动器输出。TTL驱动器和集电极开路器是更低成本的解决方案，线驱动器提供许多优越的性能。这些高级性能包括差分驱动器的抗干扰性、可驱动长距离线缆运行、高效的功率消耗以及快速串行传输性能的提高。差分对传输器得益于使用专用的RS422驱动器，提供更好的适应性。

方向的改变也可以被快速的探测，速度由简单的测量两个Z零位脉冲之间的沿距离来确定。然而，一个绝对位置仅在一个Z零位脉冲到达之后有效。对于旋转运动，绝对位置在至少一个循环之后获得。为此，线性测量系统需要一个参考或者起始序列优先于常规运行。

2） 使用当前值快速控制

高精度应用和高速运动产生非常高的时钟频率，这不得不由接口模块来处理。考虑这种高速度和位置控制，可实现的控制循环依赖于固件的算法和硬件的延时时间。

举例说明，图3图解了一个电机控制系统的组成。除了固件的执行时间之外，如下的硬件执行时间也要特别注意考虑进去：

A．   编码器延时：插补细分器的处理时间和A/B信号的输出耗时。

B．   编码器和控制单元/PLC之间的传输时间。

C．   控制单元/PLC的编码器接口模块读出时间。

图3：一个电机控制回路的定时组成部分

下接：快速增量编码器接口（二）