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绝对位置测量系统的高速接口 |
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作者：Dr.Ing.Rainer Hagl 李莹 翻译 |
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位置编码器经常应用于以可编程逻辑控制器（PLC）为基础的控制系统。这些系统的线路通常设计为点点连接。当这样的设计要求将位置值快速的传送到PLC 时，通常需要复杂的电缆配置结构。 
图1：旋转编码器的普通通讯结构
现在的流行趋势是通过在PLC 与传动装置及传感器之间使用区域总线结构（如：CAN、Interbus-S、Profibus-DP 等）来减少电缆的复杂性。与点点结构相比，区域总线传送位置值需要更长的时间。一个带有几个传动装置及传感器的传送时间通常为一或几个毫秒。由此在控制环中产生的停滞时间是许多应用软件所不能接受的。同时，一个带有区域总线接口的位置编码器的价格也比较昂贵。因此，带有区域总线接口的位置编码器的最佳配置是那些控制上要求低或中等，且系统要求区域总线的应用软件。表1：不同接口类型的特点
 为了快速响应命令，折衷的解决方法是使用分散的输入/输出元件或在传感器及传动装置附近使用分散的PLC。位置编码器通过非常短的电缆以点点结构的方式连接于分散的I/O 或PLC，缩短了通过区域总线将数据传送到上一级PLC 的时间。这个解决方案有两个好处：即通过点点结构缩短了传送时间又通过区域总线减少了长距离传送的电缆。
对于那些时间作为关键因素的应用软件，仍然保持着从编码器到电气控制元件之间的点点通讯。然而，在现在使用的大多数用于连续同步位置传送的点点结构具有下列缺点：
传送可靠性低，
传送速率低，
无自动参数输入，
无安全监控，
较少的监控及诊断功能，
个别类型为绝对位置测量。
由于新的EnDat（编码器数据）接口的发展，HEIDENHAIN 成功开发了适用于所有类型绝对值编码器的从位置编码器到后继电路通过点点通讯的标准接口，并且避免了上述缺点。
点点通讯的标准化接口
带有Endat 接口的位置编码器通过后继电路发送的时钟信号实现双向传送。通过仅四条线，不仅可以传送位置值并且可以快速可靠地传送参数。通过后继电路发送命令给编码器来确定是传送位置值或参数。
位置值传送（图2）由一个起始位及报警位开始。后面为纯二进制代码的位置值及五个CRC 校验位。报警位为所有监控功能的综合信息并可用于故障监控。引发报警的具体说明储存于编码器的存储器中并可通过后继电路读出。
图2：位置值传送开始于一个起始位及一个报警位
编码器有不同的用于通过后继电路读写的存储区（图3）。操作参数存储区包含可修改数据，OEM 或最终用户可以修改这些参数来匹配电机或机床。OEM 参数存储区可自由定义并写保护。编码器制造商参数存储区包含所有编码器的特殊数据并被写保护。
图3：可通过后继电路读写的存储区
作为一个选项，可以附加传送幅值为1VPP 的正弦增量信号。电缆最长为150 米。连续数据传送的最大时钟频率为2MHz。
自动的参数设置
编码器参数包含反应编码器的特定信息，如：编码器类型（单转、多转、线性）、每转测量步距或分辨率。现在，通常是人工通过控制面板或计算机手工输入这些参数。当然，这种方法要耗费时间并容易导致错误。带有Endat 接口的编码通过编码器制造商将编码器所有参数存储于一个单独的存储区。这样，就可读出参数和自动输入参数。
通过维护及维修人员，编码器可以存储两个单独的字，每一个16 位，用来描述导致编码器故障或长时间超出公差范围的原因。这些字用来区别报警或警告。当出现可能导致编码器输出不正确位置值的故障时，产生报警。举例来说，如果电源电压太低、光源故障或扫描信号的振幅太低等都会产生报警。
警告仅在超出某些编码器内部的公差极限值时显示。包括最大的电气允许速度、允许的操作温度及来自于光源控制响应的终止等。
警告不需要显示已经传送的不正确的位置值。只是在必要时要做一些预防性的维护，因此减少了昂贵的系统的空闲时间。
安全监控的支持
为了减少成本，机床和系统制造商希望取消限位开关。为了系统的安全性，通常需要使用两个位置编码器。一些机床制造商希望仅使用一个可在静止和相应的高速时都能提供“安全的”位置值的位置编码器。多转的绝对式编码器即是实现这一要求的一个案例。基本设计原理是该编码器上有一组刻线盘，其中一些刻度盘与机械齿轮组相连。扫描单独的刻度盘便可以直接通过输入选通门阵列获得逻辑数字位置值。逻辑选通门避免了各齿轮级之间的不可消除的游隙。位置值通过线性驱动器传输到后续电子设备。在一连串的元件中任何一个发生故障均能监测出来。
通过一个多转的绝对值编码器的例子来说明如何实现。
可监控的功能可分为三组：
光源
选通门阵列输入端触发，选通门阵列和线行驱动器的输出寄存器变化。
选通阵列
通过闭环控制监测光源，在允许的控制范围内如果光源未保持则会产生出错信息（图 4）。对编码器来说，为了监测选通门阵列的输入端施密特触发，选通门的输出寄存器移位和线性驱动器，输出信号端有一定变化的测试电压施加于施密特触发处。如果输出信号的光电池信号源超出变化极限，系统会产生出错信息。
图4：绝对旋转编码器的安全方法
由于绝对值旋转编码器最高转速可达12000rpm，必须有快速的动态监控。在这样的时间条件下，对于静态的编码器目前还不能满足上述的反应速度。 然而，这种功能还是可以实现的：通过冗余监控检测在高速时通过串行接口传送的绝对位置值、单独的正弦增量信号及动态的代码是否一致。如果扫描信号的位置超出了规定的公差带，动态代码将输出一个错误信息。
公差受齿轮运动及通过光电池放大的相位角度差影响。由于这些偏差，绝对位置值将不能达到± 1 LSB（最小有效位）的精度。
为了在高转速下接收正确的绝对位置信息，编码器除绝对位置值外还向后继电路传送相序相差90°的两组增量信号。绝对位置值与增量位置值在其分别定义的“精度范围”内必须一致（如1500rpm 为± 1 LSB、最高允许速度为± 50 LSB）如果超出“精度范围”，后继电路将中断输出（图5）。
图5：冗余检查技巧保证高的数据安全性
表2 列出了不同种类点点接口位置编码器的主要特征。双向Endat 接口的特点首先为短的传送时间及高的数据传送安全性。与现在广泛使用的单向数据传送不同，它支持安装、监控、故障诊断及安全技术。表2：同步和异步点点通讯的特点
 位置编码器的不同应用需求
上面描述的特征使Endat 接口广泛应用于需要绝对位置值传送的自动控制领域。如机床、纺织机械及印刷机械等，具有良好位置性能的数字控制环可与正弦增量相结合。通过冗余技巧及绝对值与增量位置值的同时传送，带有Endat 接口的编码器也可用于要求高安全性的机械，如压力机。
该接口同样适用于对实际值的传送时间要求低的自动控制工作，如金属切割机械。
不管应用软件如何，Endat 接口在后继电路中始终使用相同的输入硬件。具有相同接口的不同种类的编码器可满足特殊应用的要求（图6）。
图6：带有标准Endat 接口的单转绝对值编码器、多转绝对值编码器、绝对值角度编码器及绝对值直线光栅尺
特意为系统制造商及最终用户准备的ROC400 和ROQ400 系列绝对值旋转编码器与ROD400 系列增量编码器具有相同的安装尺寸。标准形式保护等级为IP64 及IP67，并有单转（ROC413）及多转（ROQ425）可选择。除绝对位置值外还提供幅值为1Vpp 的正弦增量信号。因此符合上面描述的安全技术，并适用于要求具有高动态及分辨率的应用软件。
ROC413 单转绝对值编码器具有与增量旋转编码器相同的外形尺寸。带有径向法兰插座的多转产品，由于特殊的扫描结构及高的综合元件仅比单转产品长7mm。带有这些尺寸的单转及多转绝对值编码器也可用于区域总线系统。编码器的Profibus-DP 功能符合 Profibus 用户组织PNO（Profibus-Nutzer-Organisation）
对于旋转编码器的协议，并支持完整的版本2 功能。
绝对值旋转编码器ECN1313 和ECN1325 适合安装于带有数字式速度控制及自然冷却的驱动器上。它们带有定子联轴节来补偿电机轴与编码器轴轴向及径向的偏差。旋转编码器的刚性联轴节通过锥型轴与电机轴相联使控制环具有大的带宽。高达115 °C (239 °F)的操作温度允许在特定的额定扭矩下更小的电机尺寸。由于这些编码器的信号周期为每转2048 或512，举例来说，通过后继电路对增量信号进行1024 倍细分，可分别得到测量步距为每转2,000,000 或500,000。电机制造商在电机上安装编码器并通过Endat 接口对电机电动势进行编程。这消除了调整时间。
通过刻度的特殊设计及在扫描过程的其他设计措施，由于后继电路对正弦增量信号的细分导致在一个信号周期内的偏差小于信号周期的±1%。这意味着如果信号周期为2048，在一个信号周期内的位置偏差（细分导致的误差）小于±7"。相同的，如信号周期为512，位置偏差为±26"。由后继电路对正弦信号细分产生的位置偏差在高操作温度时保持不变。这使带有数字速度控制的驱动器在特定的操作温度范围内实现低速波动高控制带宽成为可能。
RCN220 和RCN723 封闭式绝对值角度编码器的精度分别可达±2.5 角秒及±2 角秒，并且安装内部定子联轴结。IP64 的保护等级及100 m/s2 (50 Hz to 2,000 Hz)允许震动使这些绝对值角度编码器可用于恶劣的环境。其输出分辨率分别为20位和23（每转8,388,608个测量位）。所有输出均带有绝对值并分别附加带有每转16,384 和32,768 增量信号周期。推荐的测量步距为0.0003°和0.000 04°。
RCN220 与RCN723 分别与封闭式增量角度编码器RON200 系列及RON706/RON786 系列在机械上是完全兼容的。LC181 型绝对值直线编码器是为在断电后由于设计或运动原因不能返回固定的参考点位置或很难返回的机床所设计并避免了长的机器空转时间。
绝对值直线编码器也适用于在通电后需要立即得到绝对位置值的同步直线电机。
其测量步距为0.1 μm 到1 μm，测量长度最长可到3 米。
结论
Endat 双向同步串行接口展示了从旋转或直线编码器向后继电路传送绝对值位置值的前景。与现在普遍使用的同步连续数据传送比较，它具有更快的传送时间、更高的传送安全性并提供监控及诊断功能。而且，其独立于绝对位置值获取物的类型，允许后继电路自动配置参数，并支持维修及预防性维护。通过其从编码器到后继电路长达150 米的电缆传送能力及附加的幅值为1VPP 的增量正弦信号，Endat 接口在高质量控制回路的设计中将扮演重要的角色。
关于作者
Ing. Rainer Hagl 先生为德国Stuttgart大学的博士毕业生生。
1992 加入德国海德汉公司，现任海德汉公司旋转和角度编码器研发部主管。(end)
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(6/19/2005) |
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