详解编码器通信方式的变革

最早的方波增量信号，到带换相信号的方波增量信号，再到绝对值和正余弦增量的复合信号，以及最新采用数字式高速通信协议的绝对值型编码器，电机编码器的发展已经经历了数代的变革。

与之对应，用于检测机械设备状态的编码器，也经历了几代的发展历程，其中，又以编码器通信方式的变革最为显著。

通信方式的变革

最早期的绝对值型编码器，采用并口输出。

一根线芯代表输出二进制位置值的一位。这样一来，一个 10 位(也就是 1,024 步)的编码器，就需要 12 芯(10芯信号 + 2 芯电源)的通信电缆。

诞生于 1985 年 SSI(串行同步总线)接口，只用 6 芯(4 芯通信 + 2 芯电源)电缆，就能够达到信号的同步传输，很好的解决了电缆数量的问题。

然而，SSI 总线只能支持点到点的信号传输。如果设备上有多个编码器，则分别需要多根编码器电缆与控制器一一连接。随着各种基于 RS485 的工业总线(如，PROFIBUS, DeviceNet, CANOpen...等)的普及，编码器如同其它传感器设备一样，也实现了工业网络通信。

如今，工业网络通信已经全面进入了工业以太网时代(如：PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, POWERLINK...等)，编码器的通信也毫无悬念的转向了相应的工业以太网。

基础架构的改变，带来的不仅仅是通信速率的提升，更是观念的改变。就像手机一样，进入 4G 时代以后，不仅仅是手机的音质更加清晰了(其实 3G 的带宽就已经足够传输高品质语音了)，而且手机能够承载更多、更加复杂的任务，例如流畅的视频电话和高清的在线视频播放等。

那么，对于编码器来说，其智能化将会呈现出怎样的趋势呢?

看待未来的发展，我们必须先从需求谈起。传统的编码器，无论是增量型或者绝对值型的编码器，通常只能够采集和传输角度或长度的位置及其变化信息，这些信息对于运动控制来说至关重要。然而，随着工业生产效率的提升，工业安全意识的增强，对于运动控制反馈的也提出了更高的要求。于是，我们不难看出新一代工业编码器的发展方向。

分辨率和精度的提升

对于速度控制而言，位置分辨率是一个非常关键的因素。因为当速度较快时(如：6,000 rpm 以上)，为了精确反馈实时的位置信息，就需要编码器有着极高的位置刷新频率。这一方面要求编码器本身的角度/位置分辨率足够精细;另一方面，信号传输的速度也要足够快，以便能够将采集到的位置信息实时的传递到控制器中。

更高的通信速率

一般工业以太网的编码器，比如 PROFINET，可以达到 1ms 的刷新周期。 而在 EtherCAT 网络中，通过分布式时钟可以使得最小循环时间达 100μs 以内，这已经非常接近高性能伺服驱动系统的位置环循环周期(62.5 μs)。

设备层拓扑结构

线性或者树形的拓扑结构，很好的解决了灵活布线的问题，但是系统却会面临着因意外故障或断线而中断的风险。

在 EtherNet/IP 网络中，DLR (Device Level Ring)功能的出现，很好的解决了这个问题。将双网口的编码器与系统中其他元件首尾相连，形成一个具有更高可靠性的闭环回路，当环路中出现断线故障时，系统会立即检测到信号传输的中断，并且在切换至旁路的同时发出警报。这样一来单个电缆中断将不会导致其他节点和整个系统出现故障。

统一的数据架构

OPC UA 定义了统一的架构(Unified Architecture)，使得机器与机器之间的自动化通信更加流畅。这种架构不限制操作系统或是编程语言，是一种面向服务的架构( SOA )，从智能传感器、智能执行机构一直到控制系统和信息网络，都具有强健的信息安全特性和可扩展性。

OPC 基础服务是一套抽象的数据应用描述，和通讯协定无关，是 OPC UA 机能的基础。传输层将方法转换为通讯协定，将资料序列化(或反序列化)，再传送到网络上。 为了上述目的，定义了两种通讯协定，其中一个是以效率进行过优化的二进制 TCP 讯定，另一个则是 Web 服务导向的协定。

更灵活的配置

另一方面，位置和速度的单位偏好也会因客户习惯而有所不同，多种可选的输出单位，可以使应用配置的导入达到事半功倍的效果。为了最大限度的提高生产效率，预设值的设置还需要具有实时的在线功能。即使在设备运转时，也可以与控制循环同步进行绝对位置调整(也称为“偏移调整”)而无需停机。

触手可及的诊断信息和生命周期运行数据

设备的当前运行状态如何?一旦出现故障，有哪些诊断数据?这些情况，用户是需要第一时间了解的。因此，全面的故障警告和报警信息尤为重要。

然而，大部分的故障都是事前有征兆的，这也就是预防性维护的重要性。要在故障发生前排除隐患，通常有两个办法：定期排查或者有针对性的检查。

定期的做法，虽然避免了意外停机造成的损失，但是需要耗费大量精力和成本，因为不同设备的运行频率和状态各不相同。

通过采集和储存的诊断信息和生命周期数据，可以极大的提高预防性维护的效率。智能编码器通常能够处理上电时长、旋转时长、工作转速和环境温度...等生命周期内的维护数据，以便于设备维保人员有针对性的进行预防性维护。