Подключение инкрементального энкодера: сигналы A/B/Z, типы выходов и подключение к ПЛК

Машина работает, двигатель вращается, а счетчик на панели ничего не показывает. Или он считает в неправильном направлении. Или новый энкодер начинает дымиться при включении питания. Во всех этих случаях провода, как правило, не виноваты. Причина несоответствия электрических интерфейсов: неправильная выходная цепь, неправильное напряжение питания или выход, который изначально не был предназначен для взаимодействия с входом, к которому он подключен. В этом руководстве подробно описан процесс подключения инкрементального энкодера, начиная с сигналов, а затем приведены пять технических характеристик, от которых зависит, удастся ли подключить новый энкодер с первой попытки.

Что такое сигналы инкрементального энкодера: объяснение проводов A, B и Z

Инкрементный энкодер не передаёт данные о положении. Он генерирует поток импульсов — по одному фронту на каждую единицу перемещения вала, — и счетчик восстанавливает скорость, направление и относительное положение, подсчитывая их. В этом и заключается все отличие от абсолютного энкодера, который сохраняет информацию о своём положении после отключения питания. Инкрементная система должна заново находить свою точку отсчёта (обычно с помощью импульса Z) при каждом включении питания.

При подключении инкрементального энкодера важно учитывать три сигнала:

• Канал A и Канал B представляют собой последовательности импульсов прямоугольной формы, фазово смещенные на 90 электрических градусов. Если считать только импульсы A, то получится скорость. Если считать импульсы A и B вместе (квадратурный подсчет), то фазовые соотношения позволяют определить направление вращения: если при вращении в одном направлении импульс A опережает импульс B, то при вращении в другом направлении импульс B опережает импульс A.
• Канал Z выдает один импульс на каждый оборот. Это индекс — маркер "начало оборота", используемый для возврата в исходное положение и проверки отсутствия пропущенных импульсов.
• PPR (импульсов на оборот) — это разрешение. Обычно в промышленности это значение варьируется от десятков до более тысячи импульсов на оборот. Большее количество импульсов на оборот означает более высокую точность измерения, но при этом при той же скорости вращения вала повышается выходная частота.

Прежде чем продолжить, обратим внимание на одну путаницу в терминологии. "Инкрементный энкодер", который любители подключают к микроконтроллеру (ручка панели с фиксаторами), представляет собой механический контактный переключатель, не требующий питания. Промышленные энкодеры, о которых здесь идет речь, — это устройства с питанием (5–24 В постоянного тока), выдающие настоящие цифровые сигналы A/B/Z, и правила их подключения не совпадают для этих двух типов устройств.

Пять типов выходных сигналов инкрементных энкодеров — и как их определить по паспортной табличке

Каждый производитель энкодеров предлагает устройства, внешне похожие друг на друга, но имеющие несколько вариантов электрических характеристик. Механическая платформа, вал, корпус и даже шкала разрешения могут быть одинаковыми во всех вариантах. Меняется только выходная цепь, каскад внутри энкодера, который управляет сигнальными проводами. Это самый важный момент при подключении инкрементального энкодера: выходная схема определяет, на какой вход счетчика может подавать сигнал энкодер, и, как правило, эта информация указана в суффиксе модели.

В линейке инкрементных энкодеров, широко используемых при ремонте оборудования, характеристики разрешения одинаковы для всех пяти моделей. Достаточно взглянуть на суффикс, чтобы ещё до вскрытия корпуса определить схему вывода сигналов и напряжение питания.

Напряжение питания: серии 5 В и 12–24 В не являются взаимозаменяемыми

Питание датчиков делится на три основных диапазона: 5 В постоянного тока (практически всегда используется в семействе RS422/линейных драйверов), 5–12 В и 12–24 В постоянного тока (преобладающий промышленный диапазон). Два правила важнее любой схемы подключения:

1. Энкодер на 12–24 В запрещается подключать к цепи на 5 В или использовать в качестве источника питания для такой цепи, а энкодер на 5 В, питающийся от источника 24 В, может выйти из строя мгновенно. Производители указывают это предупреждение в таблице технических характеристик; воспринимайте его буквально.
2. Провод 0 В энкодера должен быть подключен к той же общей линии, что и вход счетчика и источник питания. Наличие «плавающей» общей линии или общей линии с двойным заземлением приводит к прерывистому счёту, который выглядит как неисправность энкодера.

Цвета проводов не являются стандартом — ознакомьтесь с техническим паспортом и суффиксом

Универсального цветового кода для инкрементных энкодеров не существует. Каждый производитель предоставляет собственную таблицу: в одном европейском каталоге белый, коричневый, зеленый, желтый, серый, розовый, синий, красный цвета, а также экран соотносятся с 12-контактным разъемом; таблица для 8-контактного одностороннего разъема американского производителя снова отличается. Два энкодера с одинаковыми цветами проводов могут быть подключены совершенно по-разному. Если кабель обрезан, этикетка отсутствует или вы меняете марку устройства, следуйте следующей надежной последовательности:

1. Ознакомьтесь с данными на паспортной табличке. Характеристики выходной цепи и напряжение питания, как правило, указаны на ней или зашифрованы в номере модели.
2. Расшифруйте суффикс модели, сопоставив его с таблицей производителя (многие производители публикуют полную расшифровку в техническом паспорте или руководстве по установке).
3. Только после этого ознакомьтесь с таблицей цветов или схемой распиновки разъема именно этой модели.

Это наглядно иллюстрирует случай с поврежденным кабелем, произошедший на объекте: техник, у которого был 8-жильный энкодер неизвестного происхождения, разместил фотографии с вопросом, какая жила к чему относится. Ответить на этот вопрос удалось только после того, как был установлен номер модели и найден технический паспорт. Ключевым фактором является именно номер модели, а не цвета.

Сопоставление выхода с входом счетчика: матрица совместимости

Теперь перейдем к самому решению по подключению. На стороне счетчика (высокоскоростная счетная плата ПЛК, порт энкодера привода или автономный счетчик) имеется входная цепь, которая уже исправлено. Термины «поглощающий» и «источник» — вот что вам нужно знать: вход типа «источник» подает ток и предполагает, что датчик будет его поглощать (открытый коллектор NPN или выход напряжения). Вход типа «поглощающий» поглощает ток и предполагает, что датчик будет его подавать (открытый коллектор PNP). Комплементарные выходы могут управлять любым из этих типов. Дифференциальные входы принимают парные сигналы A//A, B//B.

Правило одного предложения, которое решает большинство вопросов, связанных с электромонтажом: входной сигнал счетчика является фиксированным значением, и выходной сигнал датчика должен учитывать это. Ознакомьтесь с руководством по эксплуатации счетчика до выбора или заказа датчика, а не после. Именно здесь терминология производителей может ввести в заблуждение: один поставщик называет деталь 'push-pull", другой — "комплементарной", а третий просто указывает "PP" в номере модели. Одно и то же электрическое семейство — три названия. Расшифровывайте модель, а не гадайте по названию.

Односторонний или дифференциальный: когда одного провода на канал недостаточно

При односторонней проводке на каждый канал (A, B, опционально Z) используется по одному проводу, подключенному к общему заземлению. Это простой, недорогой и абсолютно надежный способ при прокладке на короткие расстояния внутри чистой шкафной конструкции. При дифференциальной разводке каждый канал передается по витой паре, несущей комплементарные сигналы: A и /A, B и /B, которые приемник вычитает друг из друга. Это позволяет подавить синфазные помехи, подхваченные по кабелю. Дифференциальная разводка — оптимальное решение при больших расстояниях или в условиях сильных электрических помех. Односторонняя разводка предназначена для коротких участков в пространстве, практически свободном от помех (На сайте motioncontroltips.com объясняется компромисс между односторонней и дифференциальной схемами).

Два практических замечания. Во-первых, различие заключается не только в том, "дифференциальный выход или нет": комплементарный (двухполюсный) выход по-прежнему является односторонним, но обладает высокой управляющей способностью, поэтому производители указывают для него более длинные длины линии и условия с более высоким уровнем помех, чем для открытого коллектора. Один из производителей рекомендует свой комплементарный вариант для линий длиной свыше 10 м. Во-вторых, когда линейный драйвер RS422 работает с длинным кабелем, линия должна быть оконечена на стороне приемника. Обычно используется сопротивление 120 Ом, и в каталогах производителей датчиков указано, что для работы RS422 на больших расстояниях требуется такое оконечение с волновым сопротивлением.

Экранирование, заземление и методы прокладки кабелей, предотвращающие появление фиктивных неисправностей

Большинство неисправностей, связанных с "прерывистым сигналом датчика", вызвано электрическими помехами, а большинство помех обусловлено неправильным выполнением электромонтажных работ. Правил здесь немного:

• Прокладывайте кабель датчика в кабельном канале или вдали от силовых кабелей. Соблюдайте расстояние не менее примерно одного фута от проводки двигателя и частотно-регулируемого привода (VFD) и ни в коем случае не прокладывайте их в одном пучке.
• Заземлите экран только с одного конца. Заземление обоих концов приводит к образованию петли заземления, которая вносит именно те помехи переменного тока, от которых вы и пытались защититься.
• Там, где конструкция кабеля это позволяет, используйте витые пары в качестве сигнальных линий.
• Следите за частотным запасом: выходная частота = PPR × RPM ÷ 60. Энкодер с разрешением 1000 PPR при 6000 об/мин генерирует частоту 100 кГц, что является номинальным максимумом для многих энкодеров, и не оставляет запаса на емкость кабеля. Сочетание высокого разрешения и длинного кабеля — вот как ситуация, когда "на стенде всё работало", превращается в "на станке происходит пропуск импульсов"."

Симптомы неисправностей в подключении инкрементального энкодера и способы их устранения: отсутствие импульсов, неправильное направление или помехи

Если только что подключенный энкодер работает некорректно, прежде чем подозревать сам энкодер, ознакомьтесь с таблицей симптомов. В большинстве случаев, когда энкодер возвращается как "неисправный", речь идет о несовместимости интерфейсов, и проблема повторится при замене на любой другой энкодер.

Два важных ограничения. Во-первых, таблица представляет собой диагностику первого уровня. Осциллограф (или диагностический режим счетчика) позволяет отделить электрические помехи от механических колебаний, которые выглядят очень похоже. Во-вторых, если оборудование работало нормально до замены детали, а после этого начало давать сбои, следует сначала проверить интерфейс, а не саму деталь. Одно только это правило позволяет предотвратить большинство повторных отказов.

Замена инкрементального энкодера: пять технических характеристик, которые необходимо уточнить перед заказом

Именно при замене деталей решается, будет ли подключение инкрементного энкодера успешным или нет, поскольку решение о схеме подключения переходит от монтажника к отделу заказов. Когда заказчик указывает старый артикул детали, причины, приводящие к возврату товара, почти никогда не носят механический характер. Они носят электрический характер, и о всех них можно узнать ещё до оформления заказа. Каждая из перечисленных выше переменных интерфейса сводится к пяти вопросам:

1. Какие входные данные принимает счетчик? Тип вывода — «поглощающий», «истоковый» или «дифференциальный» — определяет семейство выходных устройств: NPN — для «истокового» типа, PNP — для «поглощающего» типа, комплементарные — для обоих типов, линейный драйвер — для дифференциального типа.

2. Какое напряжение питания обеспечивает данный прибор? Заменяемый компонент должен работать в том же диапазоне напряжения. Устройство с напряжением 12–24 В не сможет работать с компонентом на 5 В, а плата с входным напряжением 5 В не будет совместима с энкодером на 24 В.

3. PPR такой же? «Тот же PPR» — это безопасный вариант. Использование другого PPR изменяет масштабирование скорости и может привести к превышению предельной частоты входного сигнала при работе на полной скорости.

4. Какие каналы на самом деле используются? Станки, работающие только в режиме A/B, не нуждаются в канале Z, в то время как станки с возвратом в исходное положение нуждаются в нём. Сервоприводы, кроме того, требуют наличия каналов коммутации (U/V/W).

5. Как обстоят дела с кабелями? Разъем или соединительные провода должны соответствовать характеристикам оборудования, а при использовании длинных или создающих помехи кабелей предпочтительнее выбирать комплементарный или дифференциальный выход.

Если ответы на все пять вопросов положительны, то запасная деталь по своей конструкции совместима с существующей проводкой. Работа монтажника сводится к механическим операциям. Такой подход позволяет снизить количество возвратов в бизнесе по продаже запчастей: организуйте складские запасы и расчет стоимости исходя из электрического интерфейса, а не по бренду, и один набор слотов будет подходить для оборудования с различными маркировками. Основной объем рынка ремонта приходится на слоты с открытым коллектором и комплементарные слоты на напряжении 12–24 В; детали с дифференциальным выходом на 5 В относятся к категории сервоприводов и оборудования с длительным сроком эксплуатации. Пять слотов (линейный драйвер 5 В, комплементарный 12–24 В, NPN 12–24 В, PNP 12–24 В, выход напряжения 5–12 В) точно соответствуют пяти выходным цепям.

Остается одно ограничение: эти вопросы касаются исключительно электрического соединения. Диаметр вала, способ крепления и муфта — это отдельная проверка, и если смешать эти два списка, то ситуация, когда "электрически всё подходит", превращается в ситуацию, когда "не подходит к машине"."

Правильная реализация интерфейса начинается с каталога, а не с клеммной колодки. Наша линейка инкрементных энкодеров включает все пять типов выходных цепей (NPN, PNP, комплементарная, линейный драйвер и выход напряжения) в стандартных диапазонах напряжения питания 5–24 В. Когда заказчик присылает старый артикул или модель счетной платы, наши инженеры по подбору продукции проверяют тип выходной цепи, напряжение питания, количество импульсов на оборот (PPR) и количество каналов, прежде чем мы подготовим коммерческое предложение (ознакомьтесь с диапазоном инкрементального энкодера). Пришлите нам заводскую табличку. Мы отправляем вариант, совместимый с имеющейся проводкой.

Ссылки

1. Советы по управлению движением. “Часто задаваемые вопросы: Какие существуют способы подключения инкрементального энкодера к системе управления движением?” https://www.motioncontroltips.com/faq-what-are-ways-to-wire-an-incremental-encoder-into-a-motion-system/
2. Форум PLCTalk. “Как подключить инкрементный энкодер: расшифровка номеров моделей Accu-Coder и обсуждение подтяжки с открытым коллектором”.” https://www.plctalk.net/forums/threads/how-to-wire-incremental-encoder.110063/