摘要：在增量型编码器工作过程中，主要需要完成信号采集、处理和输出。而不同类型编码器信号类型及其输出接口存在差异，未能正确选择将造成装置无法正常使用。基于此，本文在分析增量型编码器原理基础上，对TTL、RS422等常见信号类型及接口进行了探究，为装置的选用提供参考。
关键词：增量型编码器；信号类型；输出接口
引言：增量型编码器属于光电传感器，能够对机械运动和位移进行检测，将检测得到的模拟信号转换为数字信号，对位置、角度等参数进行测量。在自动化系统中，该种编码器得到了广泛应用，能够与控制器、计数器、变频器等不同驱动装置连接，为数据采集和设备控制提供信号支撑。而在不同领域使用，还要选择信号接口相匹配的编码器，因此还应加强装置信号类型及接口研究。
1增量型编码器工作原理
在增量型编码器中，主要包含信号采集和信号处理两个部分。其中，采集部分包含发光元件、码盘、主轴等元器件，用于将光信号转换为电信号，其中隐含运动信息。信号处理部分由放大、整形和细分电路构成，能够将采集的信号转化为数字量，按照固定格式输出。利用编码器进行运动测量，使用的码盘由测量和指示两种光栅盘构成，相对运动将产生90°相位角。得到的信号为莫尔条纹正弦信号，通过运算放大器处理后可以输出正弦信号A和B，相位差为90°，分别为倍频脉冲信号和转向电信号[1]。其中，脉冲用于对转动角度进行反映，频率用于对转动速度进行反映。根据信号超前或滞后关系，能够分析得到转动角度。作为高精密仪器，增量型编码器在使用过程中直接与自动化控制设备连接容易导致装置承受过大载荷，因此需要采用弹性或同步带等联轴器加强保护。应避免刚性联接，并确保扭矩不超1N·m，对轴向偏角和同轴度也有一定要求。但除此之外，增量型编码器也将输出不同信号，配备的接口存在兼容性问题。在输出接口与接收端口无法匹配的情况下，将导致信号传输不稳问题的发生，在自动化控制系统中则反馈为设备不兼容。
2增量型编码器信号类型及接口分析
2.1电平信号及接口
在增量型编码器运行的过程中，将输出标准TTL电平信号。该种信号为数字信号的基础，采用二进制编码方式对各种数据进行表示。结合TTL规定可知，逻辑1与+5V等价，逻辑0与0V等价。在信号系统中，采取该种数据通信方式需要遵循统一通信技术标准，确保处理器控制设备能够顺利进行信号传输。在电路设计方面，各种芯片单片机也都将输出该类信号。相较于外部电缆，能够对高电平的HTL信号的低电平进行传输。按照传输回路，可以将TTL信号接口划分为三线制和两线制，均采用差分模式。前者针对0V完成回路设计，后者需要在两个信号间完成封闭回路布设。所谓的差分，实际就是信号间电压差比较处理。在增量型编码器中，输出脉冲信号为两两一组，在A的逻辑为1，B的逻辑为0 的情况，得到的5V差分信号逻辑相当为1。在相反的逻辑条件下，逻辑相当于0。经过差分处理，信号传输中的共模干扰能够被消除，因此在双绞线上拥有较强抗干扰能力。而在编码器信号需要长线输送的情况下，如发送端和接收端分别配置长线驱动器，各自有正负管脚。发送端正管脚在电流输出时为高电平，对应接收端正管脚为低电平，说明信号拥有相同流向，逻辑为1，反之为0。两线制为差分长线驱动，能够与RS422串行接口兼容，即信号电平电压为5V时基本统一采用该种接口。TTL作为广泛使用的编码器信号接口模式，能够满足运动控制器、伺服电机、计数器等多种元器件的信号采集需求，单极性TTL能够与处理器接口直接连接。
2.2集电极信号及接口
所谓的集电极信号，实际就是由增量型编码器TTL集电极开路门电路驱动输出的NPN或PNP信号。其中，NPN在公共端设置上，需要采用电源高电平，反之PNP为低电平。在NPN型电路中，在电路三极管截止的情况下，输出端将出现高阻、悬空状态，无法对电平进行确认。在集电极和电源之间，需要完成上拉电阻串接，达到高电平输出目标。在PNP电路中，则需要配备下拉电阻。部分编码器配备NPN单极性反逻辑信号输出，采用的接口需要为NPN极性。但如果接口信号电压为高电平，同时信号流开关在0V上存在漏性电流，将导致信号逻辑相反，应进行反处理，而并非是利用上拉电阻临时取电。在信号流与电流不匹配的情况下，不仅可能导致信号无法读取，甚至可能导致元器件被烧毁，因此还应在接口电路中加强反极性保护设计。相比较而言，集电极开路信号容易受到干扰，在信号输出稳定性不高的情况下可以使用。结合实际情况来看，采用集电极开路输出信号在公共端不为0V，且电机接地的情况下，容易引发接法冲突，导致设备出现不兼容问题。
2.3电气信号及接口
RS422为电气信号接口标准，采用平衡电压数字接口电路。在信号传输方面，采用差分模式，向驱动器传递差分信号。利用双绞线进行信号传输，接收端需要配备高输入阻抗。不同于5V差分信号，RS422信号拥有广泛电压，对接口插接头、电缆等都提出了要求。在接收端提出封闭性要求时，编码器信号阻抗与频率相关，需要加强阻抗匹配分析。如果高频段阻抗不匹配，容易导致脉冲丢失问题。在编码器的分辨力较高或高速旋转时，还应根据手册进行接收单元匹配。采用三线制，输出信号为低电平也将超出0V，因为R422信号基点电压比0V要大。在利用线路传输过程中，受阻抗影响，将出现电压衰减情况。但经过差模处理后，得到的差模电压依然比5V大。在信号频率较低的情况下，传输距离能够达到1000m，比长线驱动拥有更长传输距离。
2.4其他信号及接口
在控制器伺服电机上，多采用5V差分信号。而在自动化PLC和变频器上，多采用HTL信号。其中，反相HTL信号最佳，能够较好抵抗变频器的干扰。该种信号为高阈值逻辑电路，电压阈值在9-30V之间，比5V的TTL要大。在开关放大电路为三极管时，能够对集电极开路放大器进行兼容，对PNP进行正逻辑连接，接入低电平，NPN为负逻辑、高电平。利用三线制差分模式进行信号接收，可以凭借高电平阈值和差分模式对共模干扰进行抑制。HTL接口电路利用二极管和三极管逻辑电路改进得到，尽管信号传输速度比TTL电路要低，但抗干扰能力较强，因此能够在中低速工控系统中得到应用。实际在增量型编码器选择方面，还应注意日系和欧系编码器信号及接口存在差异。欧系编码器采用TTL信号，也可以采用双极性5V差分信号或长线驱动信号，少数能够采用三线制接口或两线制[2]。但采用三线制，只使用单极性，传输距离较远，也拥有较强抗干扰能力。采用两线制，需要实现双极连接，并通过查找手册选取匹配接收单元。
结论：在自动化生产中应用增量型编码器，应根据装置传输机理和信号特性进行选型，保证选择的编码器信号接口能够与连接设备相匹配，使系统兼容性问题得到解决，从而避免设备在频率较高时出现脉冲丢失情况。此外，还应加强设备电缆参数、运行环境等相关因素研究，通过合理选择为信号稳定采集、传输提供保障。
参考文献：
[1]沈宝诚,吴剑飞,朱嘉.基于STM32的绝对编码器信号转换为增量编码器信号装置设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2020,19(02):1-5.
[2]刘彤,赵巧妮,刘传.一种增量编码器的接口电路设计[J].电子世界,2019(17):199-200.