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1、工作原理：

由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成a、b、c、d，每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将c、d信号反向，叠加在a、b两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个z相脉冲以代表零位参考位。

由于a、b两相相差90度，可通过比较a相在前还是b相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。

2、信号输出：

信号输出有正弦波（电流或电压），方波（ttl、htl），集电极开路（pnp、npn），推拉式多种形式，其中ttl为长线差分驱动（对称a，a-;b，b-;z，z-），htl也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。

信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、、计算机，plc和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。

如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。

a.b两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。

a、b、z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。

a、a-，b、b-，z、z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减小，抗干扰佳，可传输较远的距离。

对于ttl的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。

对于htl的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。

3、增量式编码器的问题：

增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用型编码器可以解决。

增量型编码器的一般应用：

测速，测转动方向，测移动角度、距离（相对）。

编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16 线……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。

编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

从单圈值编码器到多圈值编码器

旋转单圈值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈值编码器。

如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈值编码器。

编码器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，这样的编码器就称为多圈式编码器，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。

的运行性能与它的步进驱动器有密切的联系，可以通过驱动技术的改进来克服步进电机的缺点。相对于其他的驱动方式，细分驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电机运行更加平稳均匀。

总体来说，细分驱动的控制效果好。因为常用低端步进电机伺服系统没有编码器反馈，所以随着电机速度的升高其内部控制电流相应减小，从而造成丢步现象。所以在速度和精度要求不高的领域，其应用非常广泛细分驱动精度高，细分是驱动器将上级装置发出的每个脉冲按驱动器设定的细分系数分成系数个脉冲输出，比喻步进电机每转一圈为200个脉冲，如果步进电机驱动器细分为32，那么步进电机驱动器需要输出6400个脉冲步进电机才转一圈。通常细分有2、4、8、16、32、62、128、256、512....

在国外，对于步进系统，主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。但在国内，广大用户对“细分”还不是特别了解，有的只是认为，细分是为了提高精度，其实不然，细分主要是改善电机的运行性能。

现说明如下：

步进电机的细分控制是由驱动器**控制步进电机的相电流来实现的，以二相电机为例，假如电机的额定相电流为3a，如果使用常规驱动器(如常用的恒流斩波方式)驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突变为3a或从3a突变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。

如果使用细分驱动器，在10细分的状态下驱动该电机，电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有0.3a而不是3a，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大的改善了电机的振动和噪音，因此，在性能上的优点才是细分的真正优点。由于细分驱动器要**控制电机的相电流，所以对步进电机驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。

注意，国内有一些驱动器采用“平滑”来取代细分，有的亦称为细分，但这不是真正的细分，望广大用户一定要分清两者的本质不同：

1.“平滑”并不**控制电机的相电流，只是把电流的变化率变缓一些，所以“平滑”并不产生微步，而细分的微步是可以用来**定位的。

2.电机的相电流被平滑后，会引起电机力矩的下降，而细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加

机组式卷筒印刷机一般由给纸机组、印刷机组、张力机组、加工机组和复卷机组等机组组成。在传统的有轴传动印刷机中，动力源由异步电机通过皮带轮带动一根机械长轴（约10-20m），然后通过长轴带动各机组的齿轮、凸轮、连杆等传动元件，再通过传动元件带动设备的执行元件完成设备的输人、输出任务。

卷筒印刷机要求印刷速度为300m/min，套印精度≤0.03mm，为了满足套印精度，要求在各个机组定位精度≤0.03mm。在印刷机印刷过程中，要求各机组轴与机械长轴保持一定的同步运动关系，能否很好的实现各个机组轴的同步关系，将直接影响到印刷速度、套印精度等。其中，给纸机组、印刷机组要求与主轴转动速度成一定的比例关系，张力机组根据不同的印刷速度调整张力系数，加工机组需要与主轴保持凸轮运动关系，而复卷机组的运动规律，要求随着纸卷直径的增大而减小。

我们把机械长轴作为主轴（参考轴），各印刷机组轴为从动轴，如图1，各从动轴与主轴要满足同步关系θ1=f1（θ） ，θ2=f2（θ） ，θ3=f3（θ） ··· ，其中，θ为主轴位置转角，θ1、θ2、θ3···为从动轴位置转角。

图 1 主从轴同步关系

控制系统设计

考虑到印刷机中同步运动关系复杂，套印精度高、印刷机组点多、分散，多操作子站，印刷生产线长等特点，采用全分散、全数字、全开放的控制系统fcs，总线的选择选用can总线。

为了实现各个印刷机组的复杂同步关系，将主控制器和各个电机的伺服驱动器都挂接到can总线上，构成以印刷机控制器为核心的can现场总线系统，如图2。

控制器和伺服驱动器都配有can总线控制器sja1000和收发器pca82c250的通讯适配卡，通过连接在印刷机控制器上的can通讯适配卡，控制器可以方便、快速的与各伺服驱动器通讯，向各个伺服单元发送控制指令和位置给定指令，并实时获得各个的状态信息，按照需要实时地对伺服参数进行修改，各个伺服单元也可以通过can总线及时的进行数据交换。各个伺服驱动器在获得自己的位置参考指令后，紧密的跟随位置指令。由于控制器的位置指令直接输入到各个伺服驱动器，因此每个伺服驱动器都获得同步运动控制指令，不受其他因素影响，即任一伺服单元都不受其他伺服单元的扰动影响。在这个系统中，控制器和各个伺服驱动器都作为一个网络节点，形成can控制网络。同时，由于采用现场总线控制系统，可以根据印刷规模，扩展网络节点个数。

图2 同步控制系统图

编码器和伺服电机的选择

在大惯量负载印刷系统中，编码器和伺服系统的选择尤为重要。以bf4250卷筒纸印刷机为例，其负载转动惯量很大，其中柔印机组为0.13 kg·m2，胶印机组转动惯量大，为0.33 kg·m2。

由于系统定位精度要求≤0.03mm，考虑到负载的大惯量性，把控制周期定为2ms，要求位置环稳态误差为±1个脉冲。根据定位精度和稳态误差，可以折算出编码器线数为17000线，可是考虑到在实际印刷过程中，要不断调整不同机组的位置，如果编码器分辨率选17000线，在调整印辊时，由于机组转动惯量很大，将会产生很大的角加速度，进而产生很大的转矩。例如对于胶印机组，调整角加速度超过700 rad/s2，调整转矩超过200n·m，一般的电机无法满足要求。

综合考虑，选择编码器分辨率为40000线，这样在调整过程中，减小了电机的调整加速度，进而减小了调整转矩。例如在负载惯量大的胶印机组中，调整角加速度为78.6rad/s2，调整转矩为26 n·m，凯奇公司的90m系列伺服电机完全可以满足要求。

时钟同步机制

在分布式无轴传动同步控制系统中，需要各个印刷机组之间统一协调地工作，所以各个机组必须要有统一的时间系统，以保证各个印刷机组协调工作，完成印刷任务。

具体的时钟同步实现方法分为硬件时钟同步，同步报文授时同步和协议授时同步。

（1）硬件时钟同步。硬件时钟同步是指利用一定的硬件设施（如接收机、utc接收机、专用的时钟信号线路等）进行的局部时钟之间的同步，操作对象是计算机的硬件时钟。硬件同步可以获得很高的同步精度（通常为10-9 秒至10-6秒）。

（2）同步报文授时同步。在每个通讯周期开始，主站以广播形式发送一次同步报文。例如在sercos协议数据传输层中，每个sercos的通讯周期开始都以主战发送的同步报文mst为标志。mst的数据域非常短，只占1个字节。mst报文的同步精度很高，如果用光缆做传输介质，同步精度可在4微妙之内。

（3）协议授时同步。协议授时也叫软件授时，指利用网络将主时钟源，通过网络，发给其他的子系统，以达到整个系统的时间同步性。通过计算从发出主时钟信息到发送到目标节点接受该信息并产生中断之间的时间差，可以得出延迟时间。然后通过延时补偿来达到时间同步。软件授时成本低，可由于同步信息在网络上传输的延迟大且有很大的不确定性，所以授时精度低（通常为10-6秒到10-3秒）。

综合考虑，本文的时钟同步方案采用的是硬件时钟同步，各节点根据系统中指定的主时钟来调整它们的时钟，具体实现方法是：添加硬件时钟同步信号线conclk用来传输时间同步信号，同步控制信号周期为2ms，以同步信号的上升沿作为同步点。在控制器中设置同步信号发生器，并在各个驱动器内部设置同步接受单元。驱动器从站的同步接受单元检测到主战的conclk上升沿后，各从站时钟同时清零。这样定期清零不仅保持了各从站时钟的一致性，同时也避免了同步误差的累计。为了提高模块同步信号的抗干扰能力，采用平衡差分驱动方式传输同步信号。使用光耦隔离，可以使主站和从站的信号互不干扰。主、从站同步信号电路如图3。

图3 主站、从站同步信号

上位机同步运动数据的产生

同步运动数据的产生任务放在到北京首科凯奇电气技术有限公司开发的软-comacplc系统中。该公司的软plc系统，硬件系统采用的是工业计算机平台,操作系统采用的是微软推出的wince嵌入式操作系统。在此软plc系统中，建立了快逻辑任务和慢逻辑任务，快逻辑用于对时间要求高的场合,如紧急情况处理,高精度采样等情况，慢逻辑任务主要用于一般对时间要求不高的场合。快逻辑任务是一个需要定时执行的任务（类似于中断服务程序），该任务必须在一个系统采样周期内执行完成，慢逻辑任务是一个无限循环，它可以在几个系统采样周期内完成[2]。快逻辑任务通过定时控制器8254来完成定时，定时周期为1毫秒。在执行过程中每一次采样周期都执行一次快逻辑任务，产生成同步运动数据。为了保持各个从动轴相对于主轴的同步关系，建立运动参考数据源来虚拟主轴运动状态。在每个系统采样周期中，根据虚拟主轴的运动状态，以及各个从动轴的同步运动要求，分别计算各个从动轴的位置信息，产生各个从动轴的同步运动数据，放入can控制器的发送队列等待发送，如图4。把运动数据产生和运算任务放在快逻辑任务中，保证产生运动数据的实时性。

图4 同步运动数据的产生

同步接口技术协议

本系统总线波特率设为1mbps，位传输时间τbit为1×10-6秒。每个数据帧由8个字节组成，发送报文数据帧长度固定为131位（29位标识符），反馈报文长度为99位。数据帧传送时间cm=131μs。把同步控制信号线conclk，作为同步周期信号线和报文的基准信号线。同步控制信号周期为2ms，高电平有效，信号电平宽度为10。正常通讯时，一个控制周期内can网络可以传送16个同步数据报文。控制器在conclk 上跳沿之后50μs内发出指令报文，驱动器在接受到指令报文后100微秒内发出反馈报文。指令报文内容包括位置指令值、逻辑接口信号输入，其中位置指令占用4个字节（32位），逻辑接口信号输入占用一个字节。逻辑接口信号输入包括驱动器使能、复位等指令。在反馈报文中，包括伺服运行状态信息和故障信息，通信时序如图5。

图5 通讯时序图

结束语

本文针对传统的机械长轴印刷机同步控制系统，提出了以控制器为核心的现场总线控制系统，以can现场总线实现在控制器和伺服之间的通信。此方案不仅克服了传统机械长轴控制方案的各种机械元件带来的缺点，而且还具有同步性能好、各伺服单元不互相干扰、控制精度高、维护方便等优点。

这种方法实现同步的特点在于利用了can总线可靠性高、传输时间短、抗干扰能力强，和数字伺服的位置精度高、全闭环的优点