PLC如何借助編碼器實(shí)現(xiàn)高效定位控制？

嚴(yán)格來說，編碼器的主要功能是提供位置或速度信息，從而指導(dǎo)如何進(jìn)行定位。而實(shí)際執(zhí)行定位操作，則依賴于PLC等控制器或步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。編碼器在工業(yè)應(yīng)用中，就像人的眼睛一樣，能夠感知電機(jī)軸或負(fù)載當(dāng)前所處的位置。通常，工業(yè)上采用的是光電式編碼器，它們通過光電轉(zhuǎn)換原理，將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的精確測(cè)量。下面，我們將對(duì)編碼器及其在工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。


圖為光電編碼器的工作原理及輸出波形

光電編碼器的原理相對(duì)直觀。其核心部件是一個(gè)輕薄的圓盤，上面通過精密儀器腐蝕雕刻出許多細(xì)小的縫隙。這個(gè)圓盤將360度的圓周細(xì)分成多個(gè)等分，例如分成1024組，每組之間的角度差為0.3515625度。


圖為光電編碼器的碼盤實(shí)物照片

圓盤的一側(cè)安裝了一個(gè)精密的發(fā)光源，而另一側(cè)則配置了接收器，該接收器包含光敏電阻等元件，并配有放大和整形電路。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，縫隙處允許光線通過，使得接收器能夠瞬間接收到光脈沖。

這些光脈沖經(jīng)過電路處理后，會(huì)轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)輸出。因此，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，會(huì)對(duì)應(yīng)輸出1024個(gè)脈沖信號(hào)。若設(shè)定第一個(gè)脈沖位置為0度，那么第二個(gè)脈沖位置就對(duì)應(yīng)于0.3515625度，第三個(gè)脈沖位置則是0.3515625度的兩倍，以此類推。

通過讀取這些脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，我們可以精確地確定圓盤（即編碼器）的當(dāng)前位置。如果將編碼器安裝在電機(jī)的軸上，并確保電機(jī)軸與圓盤之間是剛性連接，那么電機(jī)軸的位置與圓盤的位置將一一對(duì)應(yīng)。因此，通過讀取編碼器的脈沖信號(hào)，我們就可以準(zhǔn)確地知道電機(jī)的軸位置。這種光電編碼器的應(yīng)用，使得位置測(cè)量變得既精確又可靠。


圖為光電編碼器的工作原理及電路輸出圖

電機(jī)軸通常通過同步帶、齒輪、鏈條等傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)負(fù)載如絲桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)關(guān)系形成了一個(gè)所謂的電子齒輪比，它描述了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，絲桿會(huì)相應(yīng)前進(jìn)的毫米數(shù)。編碼器則負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，并將其轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)輸出。PLC或其他控制器通過讀取這些脈沖信號(hào)，就能反推出當(dāng)前絲桿的具體位置。這樣，編碼器與電機(jī)、絲桿之間的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載位置的精確控制。


圖為編碼器順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的波形圖

然而，由于編碼器是圓形的，如果它持續(xù)無限制地旋轉(zhuǎn)，角度將會(huì)不斷累積變得無窮大。為了解決這一問題，設(shè)計(jì)了增量型編碼器。這種編碼器在旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，會(huì)輸出三組信號(hào)——A、B和Z。其中，A和B兩組信號(hào)是相同的脈沖，它們共同代表了一圈內(nèi)的圓周角度。而且，這兩種脈沖信號(hào)是處于正交狀態(tài)的，這意味著它們之間存在一個(gè)固定的相位差。

當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過監(jiān)測(cè)A相和B相脈沖的上升沿和下降沿的先后順序，我們可以準(zhǔn)確地判斷出編碼器當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針還是逆時(shí)針。例如，如果一圈內(nèi)有1024個(gè)脈沖，那么每個(gè)脈沖都對(duì)應(yīng)著圓周上的一個(gè)固定角度。通過計(jì)數(shù)這些脈沖，并結(jié)合A、B相脈沖的相位關(guān)系，我們就可以精確地知道編碼器當(dāng)前所處的位置和旋轉(zhuǎn)方向。這種設(shè)計(jì)使得增量型編碼器在需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)和精確位置控制的場(chǎng)景中非常有用。

圖為判斷編碼器旋轉(zhuǎn)方向的原理圖

另外，增量型編碼器還設(shè)計(jì)有一個(gè)Z相脈沖。盡管編碼器可以持續(xù)旋轉(zhuǎn)，角度看似無窮無盡，但實(shí)際上這些角度是周而復(fù)始、循環(huán)重復(fù)的。Z相脈沖被固定在圓周上的特定位置，每當(dāng)編碼器完成一整圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，它只會(huì)輸出一個(gè)Z相脈沖。

如果將Z相脈沖作為基準(zhǔn)點(diǎn)，那么每當(dāng)系統(tǒng)讀取到這個(gè)脈沖時(shí)，就可以進(jìn)行清零操作。這樣做的好處是，可以將角度的最大值限制在360°以內(nèi)，從而避免角度的無限累積。簡(jiǎn)而言之，Z相脈沖就像一個(gè)零基準(zhǔn)點(diǎn)，幫助我們?cè)谶B續(xù)旋轉(zhuǎn)中保持對(duì)角度的精確控制。

圖為編碼器正轉(zhuǎn)輸出的波形圖

圖為編碼器反轉(zhuǎn)輸出的波形圖

這樣設(shè)計(jì)的好處在于，即使系統(tǒng)意外斷電并重新上電，只要能重新找到編碼器的基準(zhǔn)點(diǎn)，我們就可以迅速確定絲桿的初始位置。這為我們提供了在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定、可靠的位置控制解決方案。


圖為伺服系統(tǒng)的控制原理圖

上述的定位方式被稱為增量坐標(biāo)系，而實(shí)現(xiàn)這種定位的編碼器即為增量型編碼器。由于其靈活性和相對(duì)低廉的價(jià)格，增量型編碼器在工業(yè)應(yīng)用中廣泛使用。然而，在某些特定場(chǎng)景下，設(shè)備僅需在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。對(duì)于這類需求，編碼器可以設(shè)計(jì)得更為精密，例如采用13位細(xì)分，這意味著一圈內(nèi)將產(chǎn)生2的13次方個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖精確對(duì)應(yīng)一個(gè)角度值。這種設(shè)計(jì)使得脈沖數(shù)與角度一一對(duì)應(yīng)，即便系統(tǒng)斷電，也無需重新調(diào)整零位，因此被稱為單圈絕對(duì)值編碼器。

對(duì)于需要旋轉(zhuǎn)多圈的負(fù)載，例如最大旋轉(zhuǎn)5圈，即總共1800°的情況，編碼器同樣能夠精確對(duì)應(yīng)每個(gè)脈沖與這1800°中的某一角度。這種多圈絕對(duì)值編碼器在高檔數(shù)控機(jī)床等應(yīng)用中較為常見，它能夠提供絲桿或其他旋轉(zhuǎn)部件的當(dāng)前精確位置，且不受系統(tǒng)斷電歸零的影響。


圖為絕對(duì)式編碼器的內(nèi)部齒輪結(jié)構(gòu)圖

此外，編碼器還存在磁電式的設(shè)計(jì)，這種編碼器在碼盤上布置了多個(gè)南北極交替的小磁鐵。通過霍爾效應(yīng)傳感器讀取這些小磁鐵的信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)。這些信號(hào)同樣經(jīng)過放大和整形后變成電脈沖。在工作原理上，磁電式編碼器與光電編碼器有相似之處，但價(jià)格更為親民，且具有較高的可靠性。然而，在精度方面，磁電式編碼器相較于光電編碼器稍遜一籌。

PLC如何通過編碼器判斷位置

首先我們要理解PLC能夠接收開關(guān)量輸入，即高低電平的信號(hào)。編碼器的脈沖信號(hào)可以被視為在極短時(shí)間內(nèi)快速變化的一組開關(guān)量。然而，由于這種開關(guān)量的變化頻率極高，PLC的普通I/O端口無法準(zhǔn)確捕捉所有脈沖的個(gè)數(shù)。這是因?yàn)镻LC在工作過程中存在掃描周期，它需要定期刷新普通I/O端口的數(shù)據(jù)。而編碼器的精度極高，單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)量過多，因此普通I/O端口無法勝任這一任務(wù)。

為了解決這個(gè)問題，通常需要使用PLC的特殊功能模塊或高速計(jì)數(shù)器模塊來讀取編碼器的脈沖信號(hào)。這些模塊具有更高的采樣率和計(jì)數(shù)能力，能夠準(zhǔn)確記錄編碼器的脈沖數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的精確判斷。通過這種方法，PLC可以有效地利用編碼器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位控制。


圖為PLC接收到的編碼器數(shù)據(jù)反饋圖

通常情況下，PLC會(huì)配備專門的高速計(jì)數(shù)端口，這些端口利用底層單片機(jī)的硬件邏輯來高效完成編碼器的計(jì)數(shù)任務(wù)。這樣做的好處是能夠有效避免掃描周期對(duì)計(jì)數(shù)精度的影響。在PLC中，通常會(huì)設(shè)計(jì)有專門的高速計(jì)數(shù)指令，用戶在使用時(shí)只需直接調(diào)用這些指令，就能方便地讀取當(dāng)前的脈沖值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器輸出信號(hào)的精確處理和控制。


圖為PLC讀取編碼器輸出信號(hào)的原理圖

在脈沖的計(jì)算和輸出過程中，由于掃描周期的存在，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的滯后影響。特別是在控制一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如氣缸進(jìn)行裁切動(dòng)作時(shí)，這種滯后可能導(dǎo)致動(dòng)作的不準(zhǔn)確或延遲。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要考慮并補(bǔ)償這種提前量的問題，以確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠按照預(yù)期進(jìn)行精確的動(dòng)作。


圖為工作臺(tái)控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

需要提醒的是，當(dāng)使用PLC來控制伺服系統(tǒng)或步進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，通常并不需要依賴編碼器的反饋來確定位置。相反，PLC可以通過發(fā)出位置脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器，利用驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的位置環(huán)來實(shí)現(xiàn)位置控制。在這種情境下，PLC主要扮演指令發(fā)出的角色，并不直接參與位置閉環(huán)的構(gòu)建。然而，如果使用的是專門的定位模塊控制，如NC等控制方式，那么在這些模塊內(nèi)部是可以構(gòu)建位置閉環(huán)的，以實(shí)現(xiàn)更精確和可靠的位置控制。

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