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摘要：工業自动控制工程中，有大量的直线位移和角位移需要通过电信号来加以处理，编码器便是实现这一功能的最主要设备。但由于各类型编码器价位差别很大，实际应用中选型不当既容易造成使用不合理，也会造成浪费。本文主要探讨单圈绝对值编码器在多圈过程控制中的应用。
关键词：单圈绝对值编码器格雷码 多圈计数
中图分类号：C939文献标识码： A
一．简述
编码器（encoder）是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。编码器产生电信号后由数控制置CNC、可编程逻辑控制器PLC、控制系统等来处理。这些传感器主要应用在下列方面：机床、材料加工、电动机反馈系统以及测量和控制设备。
二．编码器分类
按照工作原理编码器一般分为增量型与绝对型，它们存着最大的区别：增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。在增量编码器的情况下，位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数确定的。在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的；绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。因此，当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。如果电源再次接通，那么位置读数仍是当前的，有效的；不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。
绝对型编码器又可分为单圈编码器和多圈编码器。多圈绝对式编码器中，生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。
三.编码规则
绝对值编码器一般采用格雷码编码方式，在一组数的编码中，若任意两个相邻的代码只有一位二进制数不同，则称这种编码为格雷码，另外由于最大数与最小数之间也仅一位数不同，即“首尾相连”，因此又称循环码或反射码。在数字系统中，常要求代码按一定顺序变化。例如，按自然数递增计数，若采用8421码，则数0111变到1000时四位均要变化，而在实际电路中，4位的变化不可能绝对同时发生，则计数中可能出现短暂的其它代码（1100、1111等）。在特定情况下可能导致电路状态错误或输入错误。使用格雷码可以避免这种错误。
格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式。因为，虽然自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但在某些情况，例如从十进制的3转换为4时二进制码的每一位都要变，能使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它在相邻位间转换时，只有一位产生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。由于这种编码相邻的两个码组之间只有一位不同，因而在用于方向的转角位移量－数字量的转换中，当方向的转角位移量发生微小变化（而可能引起数字量发生变化时，格雷码仅改变一位，这样与其它编码同时改变两位或多位的情况相比更为可靠，即可减少出错的可能性。
格雷码与二进制码的转换：从左边第二位起，将每位与左边一位解码后的值异或，作为该位解码后的值（最左边一位依然不变）。依次异或，直到最低位。依次异或转换后的值（二进制数）就是格雷码转换后二进制码的值。
用公式表示：
（G：格雷码，B：二进制码）
原码：p[n:0]；格雷码：c[n:0](n∈N）；编码：c=G(p）；解码：p=F(c）。
四．实现方法
单圈编码器价格低，在实际应用中使用广泛，但由于其测量范围小，需要在安装时调整零点，以便于在使用过程中不允许编码器旋转跨越零点，即编码器只允许在360度范围内选择，大大降低了其使用范围。但在使用过程中，往往需要编码器转动范围超过一圈，甚至几圈，考虑到成本及使用要求，这就需要对编码器编码进行过圈处理。
以10位单圈绝对型编码器为例，编码范围为0—1023，共1024个编码。传统的做法是以PLC的程序扫描周期（通常为50-100ms）为时间基准，在每一个扫描周期内，将编码器编码X与1023做比较，当X=1023时，便认为此时编码器已过圈，这样就有两个问题：
1.当编码器转动过快时，容易造成编码的丢失，即程序接收不到1023这个码值，从而无法正确判断过圈。
2.当编码器恰恰转动到1023这个码值而停止时，会造成编码器过圈的错误信号。
改进后的编码处理，以可编程逻辑器循环扫描周期为时间基准，即当前周期取一个编码A，然后把A与上一周期的编码B做比较，当B-A>=1时，编码器不过圈；当B-A<=1时，编码器过圈，由于A、B两个码值是根据PLC的扫描周期不断更新的，这样即使有编码丢失，也不会造成过圈的错误判断。如程序所示：
L MD 0
T MD 4
L MD 4
L MD 8
-R
T MD12
L MD 4
T MD 8
A(
L MD12
L 1.000000e+000
>R
)
FPM 20.0
JNB _001
L MD16
L 1.000000e+000
-R
T MD16
_001: NOP 0
A(
L MD12
L 1.000000e+000
)
FPM 20.1
JNB _002
L MD16
L 1.000000e+000
+R
T MD16
_002: NOP 0
L MD16
L 1.024000e+003
*R
T MD21
ANOV
SAVE
CLR
A BR
= L0.0
A L0.0
A(
L MD21
L 0.000000e+000
>R
)
JNB _003
L MD21
L MD 4
+R
T MD25
_003: NOP 0
A L0.0
A(
L MD21
L 0.000000e+000
)
JNB _004
L MD21
L MD 4
+R
T MD25
_004: NOP 0
A L0.0
A(
L MD21
L 0.000000e+000
==R
)
JNB _005
L MD21
L MD 4
+R
T MD25
_005: NOP 0
程序中，MD0为编码器转化后的二进制读数，MD4为当前周期读数，MD8为上一周期读数，MD16为圈数计数，MD25为计入圈数累计后的编码器读数。
五．结束语
在实际工业控制过程中，通过PLC编程，将单圈绝对值编码器作为多圈绝对值编码器只用的方法，给需要选用多圈绝对值编码器的设计人员提供了一个新的设计思路。经过在项目中的实际应用效果来看，完全可以代替多圈编码器，从而达到既实现了功能，又节约了成本的效果。
参考文献
[1]殷华文,朱清慧，可编程序控制器及工業控制网络[M]. 西安:西安地图出版社,2001.
[2]廖常初，PLC编程及应用［M］.北京：机械工业出版社，2004.
[3]田宇，伺服与运动控制系统设计.北京：人民邮电出版社[第1版] ，2010年5月1日.
[4]廖常初，S7-300/400 PLC应用技术.北京：机械工业出版社[第3版],2012年1月1日.
[5]秦绪平,张万忠.西门子S7系列可编程控制器应用技术.北京:化学工业出版社,2011.
关键词：单圈绝对值编码器格雷码 多圈计数
中图分类号：C939文献标识码： A
一．简述
编码器（encoder）是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。编码器产生电信号后由数控制置CNC、可编程逻辑控制器PLC、控制系统等来处理。这些传感器主要应用在下列方面：机床、材料加工、电动机反馈系统以及测量和控制设备。
二．编码器分类
按照工作原理编码器一般分为增量型与绝对型，它们存着最大的区别：增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。在增量编码器的情况下，位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数确定的。在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的；绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。因此，当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。如果电源再次接通，那么位置读数仍是当前的，有效的；不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。
绝对型编码器又可分为单圈编码器和多圈编码器。多圈绝对式编码器中，生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。
三.编码规则
绝对值编码器一般采用格雷码编码方式，在一组数的编码中，若任意两个相邻的代码只有一位二进制数不同，则称这种编码为格雷码，另外由于最大数与最小数之间也仅一位数不同，即“首尾相连”，因此又称循环码或反射码。在数字系统中，常要求代码按一定顺序变化。例如，按自然数递增计数，若采用8421码，则数0111变到1000时四位均要变化，而在实际电路中，4位的变化不可能绝对同时发生，则计数中可能出现短暂的其它代码（1100、1111等）。在特定情况下可能导致电路状态错误或输入错误。使用格雷码可以避免这种错误。
格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式。因为，虽然自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但在某些情况，例如从十进制的3转换为4时二进制码的每一位都要变，能使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它在相邻位间转换时，只有一位产生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。由于这种编码相邻的两个码组之间只有一位不同，因而在用于方向的转角位移量－数字量的转换中，当方向的转角位移量发生微小变化（而可能引起数字量发生变化时，格雷码仅改变一位，这样与其它编码同时改变两位或多位的情况相比更为可靠，即可减少出错的可能性。
格雷码与二进制码的转换：从左边第二位起，将每位与左边一位解码后的值异或，作为该位解码后的值（最左边一位依然不变）。依次异或，直到最低位。依次异或转换后的值（二进制数）就是格雷码转换后二进制码的值。
用公式表示：
（G：格雷码，B：二进制码）
原码：p[n:0]；格雷码：c[n:0](n∈N）；编码：c=G(p）；解码：p=F(c）。
四．实现方法
单圈编码器价格低，在实际应用中使用广泛，但由于其测量范围小，需要在安装时调整零点，以便于在使用过程中不允许编码器旋转跨越零点，即编码器只允许在360度范围内选择，大大降低了其使用范围。但在使用过程中，往往需要编码器转动范围超过一圈，甚至几圈，考虑到成本及使用要求，这就需要对编码器编码进行过圈处理。
以10位单圈绝对型编码器为例，编码范围为0—1023，共1024个编码。传统的做法是以PLC的程序扫描周期（通常为50-100ms）为时间基准，在每一个扫描周期内，将编码器编码X与1023做比较，当X=1023时，便认为此时编码器已过圈，这样就有两个问题：
1.当编码器转动过快时，容易造成编码的丢失，即程序接收不到1023这个码值，从而无法正确判断过圈。
2.当编码器恰恰转动到1023这个码值而停止时，会造成编码器过圈的错误信号。
改进后的编码处理，以可编程逻辑器循环扫描周期为时间基准，即当前周期取一个编码A，然后把A与上一周期的编码B做比较，当B-A>=1时，编码器不过圈；当B-A<=1时，编码器过圈，由于A、B两个码值是根据PLC的扫描周期不断更新的，这样即使有编码丢失，也不会造成过圈的错误判断。如程序所示：
L MD 0
T MD 4
L MD 4
L MD 8
-R
T MD12
L MD 4
T MD 8
A(
L MD12
L 1.000000e+000
>R
)
FPM 20.0
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L MD16
L 1.000000e+000
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_001: NOP 0
A(
L MD12
L 1.000000e+000
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L MD16
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T MD25
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程序中，MD0为编码器转化后的二进制读数，MD4为当前周期读数，MD8为上一周期读数，MD16为圈数计数，MD25为计入圈数累计后的编码器读数。
五．结束语
在实际工业控制过程中，通过PLC编程，将单圈绝对值编码器作为多圈绝对值编码器只用的方法，给需要选用多圈绝对值编码器的设计人员提供了一个新的设计思路。经过在项目中的实际应用效果来看，完全可以代替多圈编码器，从而达到既实现了功能，又节约了成本的效果。
参考文献
[1]殷华文,朱清慧，可编程序控制器及工業控制网络[M]. 西安:西安地图出版社,2001.
[2]廖常初，PLC编程及应用［M］.北京：机械工业出版社，2004.
[3]田宇，伺服与运动控制系统设计.北京：人民邮电出版社[第1版] ，2010年5月1日.
[4]廖常初，S7-300/400 PLC应用技术.北京：机械工业出版社[第3版],2012年1月1日.
[5]秦绪平,张万忠.西门子S7系列可编程控制器应用技术.北京:化学工业出版社,2011.