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增量式编码器的接口、传输距离和抗干扰性能之间的关系

编辑:Hengstler(亨士乐)编码器    发布时间:2022-04-26 09:15:58

摘要:增量编码器是Hengstler编码器非常重要的一个类型,也是旋转编码器最常见的形式之一。其输出是一个周期性重复的脉冲信号,控制器(PLC或逆变器)使用该脉冲信号来计算速度、速度、长度、位置或角度。
增量式编码器的接口、传输距离和抗干扰性能之间的关系

增量式编码器的接口、传输距离和抗干扰性能之间的关系

增量编码器是Hengstler编码器非常重要的一个类型,也是旋转编码器最常见的形式之一。其输出是一个周期性重复的脉冲信号,控制器(PLC或逆变器)使用该脉冲信号来计算速度、速度、长度、位置或角度。

增量编码器的脉冲
图:增量编码器的脉冲

应用示例:通过计算(上升沿)脉冲数来转换长度或角度。

脉冲数
图:脉冲数

应用示例:通过计算(上升沿)脉冲的(时间间隔)频率来转换速度或速度。

脉搏率
图:脉搏率

应用示例:编码器的旋转方向由A和B脉冲序列评估,编码器的零位置由Z脉冲评估。

三通道输出A、B、Z
图:三通道输出A、B、Z

应用示例:带反转信号的差动操作。

六通道输出A、A、B、B、Z、Z-

图:六通道输出A、A、B、B、Z、Z-


增量方波编码器

方波增量编码器是最常用的电压输出编码器之一:如TTL(也称为长线驱动、线驱动或RS422)和HTL(也称为推挽输出或推挽输出)等。;还有开关输出:例如NPN集电极开路输出和PNP集电极开路输出。

TTL/线路驱动器

TTL/RS422,即晶体管-晶体管逻辑,也称为长线驱动或线驱动。

Hengstler编码器的电源电压Vcc通常为5V或24V。

编码器的输出为0至5 V之间的电压:低于0.4 V的电压定义为低电平,高于2.5 V的电压定义为高电平。

TTL接口由于其优良的抗干扰性能,被广泛应用于逆变器编码器输入接口中。

TTL电路示例
图:TTL电路示例

HTL/推挽

HTL代表高晶体管逻辑,也称为推挽输出或推挽输出。

编码器的电源电压Vcc为10-30V,通常使用24V。

编码器的输出是0V和Vcc之间的电压:低于3V的电压定义为低电平,高于Vcc-3.5V的电压定义为高电平。

HTL通常用于西门子、贝克霍夫等欧洲PLC和其他输入接口。可用作NPN或PNP开路集电极的替代品。

HTL电路示例
图:HTL电路示例

开路集电极

开放收集器,即开放收集器,分为两种类型:NPN和PNP。

Hengstler编码器相当于一个开关,需要外部电源和电阻器。

开放式采集器接口常用于欧姆龙和三菱等日本PLC的输入接口。其中,NPN开路集电极应用最为广泛。

PNP开路集电极
图:PNP开路集电极

NPN开路收集器
图:NPN开路收集器

开路集电极的输出只能在一个方向上激活。例如,NPN开路集电极输出主动切换至接地(低)。升档通过连接在电源和输出之间的上拉电阻器或负载完成。因此,集电极开路输出信号的质量不如推挽输出信号的质量好。然而,由于市场上的大多数低端PLC都有内置的开放式采集器输入接口,因此具有开放式采集器接口的编码器仍有一些市场。

NPN开路集电器的外部连接
图:NPN开路集电器的外部连接

说了这么多,问题来了。哪种接口编码器具有更强的抗干扰性能和更好的远程传输?它从干扰源开始。

中断是怎么发生的?

在Hengstler编码器的工作过程中,不可避免地会受到外界的干扰。启动和停止外部大电流设备或附近大型异步电动机的运行是典型的干扰源。信号干扰的原因有很多:电缆传输过长、屏蔽不良、接地不良、不使用双绞线、布线不规则等。

正常脉搏
正常脉搏
图:正常脉搏

小故障
图:小故障

干扰后的替代脉冲

图:干扰后的替代脉冲


如图所示,如果在信号传输过程中受到外部干扰,正常脉冲将导致脉冲缺失现象。为了解决这个问题,可以使用两通道(六通道)差分接口。差速器不测量接地信号,而是测量反向信号处的信号。这种连接的优点是,不仅信号电平会发生变化,而且信号极性也会发生变化。信号电平大约增加了一倍。因此,信号更加稳定。

因此,使用TTL或HTL接口进行差分测量更适合高干扰环境。

差分信号
图:差分信号

通过带屏蔽层的双绞线传输

图:通过带屏蔽层的双绞线传输


通过差分放大器
图:通过差分放大器

过滤掉分心
图:过滤掉分心

那么,哪种接口更适合远程传输呢?

由于电压的上升和下降,来自编码器的脉冲信号在长距离传输期间产生锯齿效应。

HTL接口信号电平高,电压升高,锯齿效应明显,不适合远距离传输。

由于开路集电极输出只能在一个方向上进行主动切换,因此锯齿效应比HTL更严重,并且在长距离传输时存在更多问题,因此不适合长距离传输。

TTL接口信号电平较低,电压上升没有HTL高,锯齿效应没有HTL明显。还可以使用差分信号测量TTL。

这使得TTL接口适用于更长的距离和更高的频率。

锯齿效应

图:锯齿效应


传输距离和输出频率

然而,Hengstler编码器的最终传输距离也取决于输出频率。编码器输出频率可使用以下公式计算。

输出频率=分辨率*每秒转数=分辨率*RPM/60

传输距离取决于输出频率。例如,3000线编码器在3000 rpm下的输出频率为150kHz,最长传输距离约为300米。

传输距离和频率

<50米<400赫兹

<100米<300赫兹

<200米<200赫兹

<400米<100赫兹

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