一只普通增量编码器只有A、B两路脉冲时,维修人员通常很容易理解:A相和B相送到PLC高速计数输入,根据脉冲数量计算位移,根据两相先后关系判断方向。但设备上如果换成六路信号,端子突然变成A、A-、B、B-、Z、Z-,现场就经常出现一种接法——A、B、Z接PLC,带“-”的三根线认为是不用的反相信号,全部空着;还有人觉得既然带负号,那就应该接到DC 0V。这种接法有时在设备低速点动时竟然也能看到脉冲,于是更容易被认为没有问题。真正进入高速运行以后,位置开始慢慢跑掉、PLC计数偶尔少几个、正转正常反转容易报警,故障才逐渐暴露。原因在于A-并不是A相的电源负极,B-也不是B相公共地,它们通常与对应正相信号共同构成一组差分输出,设计目的就是让接收端比较两根线之间的电压差,而不是单独拿其中一根对0V判断高低电平。
差分输出最重要的特点,是同一通道的两根线通常以相反方向变化。以A相为例,当A处于一种逻辑状态时,A-处于相反状态;A发生翻转时,A-同时朝相反方向翻转。接收器并不主要关心A相相对于设备0V究竟是多少伏,而是比较A和A-两根线之间谁高谁低。B/B-、Z/Z-同样如此。这样设计的好处,是外部干扰如果同时耦合到这一对导线上,两根线往往会受到比较接近的影响,而差分接收器比较的是两者差值,共同出现的干扰就能够被较大程度抵消。这正是差分编码器适合高速、长距离和电磁环境较复杂设备的重要原因之一。
因此,把A-直接接0V并不是“把不用的负信号处理掉”,而可能直接改变编码器输出电路的工作状态。具体后果取决于编码器采用的输出驱动结构。有的编码器使用专用差分驱动器,如果把其中一侧输出强行接地,可能导致驱动器长时间承受异常负载;有的设备短时间仍然能够工作,却已经失去了原有差分传输能力。维修时看到A-、B-、Z-,第一步应该确认编码器输出类型和PLC高速计数模块支持的输入接口,而不能根据符号自行判断接地方式。编码器线色同样不能完全依赖经验,不同厂家对A、A-、B、B-的颜色定义可能不同,应以对应接线资料为准。
差分编码器最适合连接到真正支持差分输入的高速计数器、运动控制器、伺服驱动器或专用编码器模块。这类输入端通常也会提供A+、A-、B+、B-以及Z+、Z-等对应端子。接线时一组正负信号成对进入接收器,由输入电路完成差分比较。如果PLC只有普通24V单端高速输入,则不能仅仅因为端子数量够,就认为可以直接连接差分编码器。两者的电平、电路结构和允许输入条件可能并不相同。实际项目中有时会使用适合的差分接收或信号转换模块,将编码器差分信号转换成PLC能够识别的输入形式,但是否需要转换以及采用哪种接口,应根据编码器输出和PLC高速输入规格确定。
A和A-不仅需要成对接,还应尽量使用同一对双绞线。B/B-、Z/Z-也分别组成自己的双绞对。两根导线相互绞合后,外部电磁场对两根线产生的耦合会更加接近,有利于差分接收器抑制共模干扰。如果A和A-分别走在电缆中完全不同的位置,甚至一根走线槽左侧、一根走右侧,差分传输原本的抗干扰优势就会明显下降。现场自制延长线时尤其容易出问题:颜色对应看起来全部正确,但并没有按照信号对组织线缆,设备低速运行正常,提高编码器频率后计数开始出现随机错误。
A相和B相之间也不能随意换线。增量编码器通过A、B两相信号之间的相位先后判断旋转方向,因此交换A和B通常会导致方向判断反转。设备表现可能是机械实际向前运动,PLC位置却不断减小;回零程序要求正方向搜索,计数器却认为轴在反向移动。维修时如果只是更换编码器插头,设备突然出现方向完全相反,而每转脉冲数又基本正确,就应该首先检查A/B定义和编码器安装方向。程序里把方向符号直接反过来虽然可能让显示恢复,但如果原设备还有高速计数、位置比较和回零逻辑,更合理的做法通常是先确认硬件是否按原设计恢复。
同一差分对内部的正负线接反,则会让这一通道整体逻辑翻转。比如A和A-对调,A相相位相对于B相发生变化,最终同样可能改变方向识别或者造成计数逻辑异常。差分系统中“正”“负”不是可互换的两根普通信号线,因此维修插头重新压接时要特别注意端子定义。多芯编码器电缆一旦失去原标签,单靠万用表通断档只能确认哪根线通到哪一个针脚,却不能告诉你针脚原本对应A+还是A-,仍然需要编码器端子资料或原设备记录。
Z相则主要用于每转一次的参考脉冲、机械原点辅助确认或位置基准建立。带差分输出时通常对应Z/Z-一组。很多设备平时连续定位主要依靠A/B计数,所以Z相接错以后设备不一定立即瘫痪,而是在回零、主轴定向或建立机械基准时才出现问题。例如正常运行几个小时都没有异常,一执行回原点程序就一直找不到参考位置;或者每次回零重复位置不一致。这类故障很容易把注意力引向接近开关和PLC程序,实际上可能只是Z/Z-没有正确进入高速输入。
编码器脉冲频率升高以后,线路问题会更加明显。设备手动低速移动时,一个脉冲周期很长,即使波形边沿受到一定干扰,PLC仍然可能正确识别;高速运行时,脉冲之间的时间越来越短,线路电容、输入响应、信号反射和噪声都更容易影响边沿判断。因此“低速计数完全正确”并不能证明编码器线路一定没有问题。现场如果发现速度越高累计误差越大,应同时核对编码器每转脉冲数、最高实际转速以及高速输入允许频率,随后再检查差分接线、线缆和信号质量。
长距离传输时,终端匹配也可能成为需要考虑的一部分。差分驱动和接收系统在较高频率、较长电缆条件下,如果传输线阻抗和终端条件不合适,信号边沿可能出现反射和振铃。部分接收设备内部已经配置适当终端,部分则需要按照技术资料设置外部终端或开关。现场不能看到RS-422一类差分接口就统一在每一对线上随意并一个固定阻值电阻,因为驱动器能力、线缆和接收结构存在差异。是否需要终端、采用什么方式,应以编码器和接收模块规定为准。
屏蔽层的处理同样与抗干扰性能有关,但屏蔽并不能代替正确差分接线。编码器电缆如果长期与变频器UVW、电机制动线或大功率接触器线路平行敷设,即使采用差分输出,也可能受到较强电磁干扰。合理的双绞差分线、屏蔽结构和线路分离应该共同工作。设备安装条件允许时,应尽量避免编码器信号电缆与变频器输出动力线长距离紧贴并行。屏蔽层是单端还是两端连接、采用连接器外壳360°屏蔽还是其他结构,则应按照编码器、驱动器以及整机EMC要求执行,不能看到干扰就把屏蔽层和0V到处短接。
编码器电源0V与差分信号负端还必须明确区分。编码器通常仍然需要自己的电源正负,例如V+和0V,这两根是给编码器内部电子电路供电的;A-、B-、Z-属于信号通道。虽然某些设备内部电路最终可能与信号参考存在特定关系,但在外部接线意义上,两者功能完全不同。接线图中如果同时出现0V和A-,已经说明它们不是同一个端子概念。维修时把所有带“-”号的线全部并到0V,是编码器差分接线中非常典型的错误。
如果PLC高速输入时有时无,可以从信号链分段检查。首先确认编码器供电电压在运行中稳定,再确认A/A-和B/B-是否真正进入对应差分输入,随后核对输入模块设置为正确的计数模式。必要时使用符合接口条件的测试设备观察差分波形,但高速差分信号不能只靠普通万用表判断,因为万用表通常只能看到平均电压,无法证明每一个脉冲边沿都正常。示波器检查时也应根据编码器信号电平和测量参考正确连接,避免因为测试方法本身改变信号。
还有一种常见问题来自连接器和中间端子。编码器原厂电缆本来是完整差分双绞结构,进入控制柜后却经过普通端子排,被维修人员用多段零散单芯线接到PLC。短距离、低速时也许还能工作,但原本连续的双绞和屏蔽结构在端子处被破坏,附近又恰好有接触器和变频器动力线,系统抗干扰能力就会下降。如果故障总出现在中间接头附近,除了检查端子有没有松动,还要考虑信号传输结构是否被不合理地改变。
更换编码器时不能只确认机械轴径和脉冲数。输出类型同样属于核心参数。原设备可能使用差分线驱动输出,新编码器却选成NPN集电极开路、推挽或其他输出形式,即使A、B、Z三组名称完全相同,PLC端所需接线方式也可能不同。机械尺寸装得上、每转脉冲数相同,并不代表电气接口就一定兼容。编码器替换至少要同时核对供电电压、输出形式、每转分辨率、最大响应频率、轴和安装结构以及接收设备输入条件。
编码器A/A-、B/B-、Z/Z-接线出现异常时,比较有效的排查顺序是先确认编码器输出类型,再检查接收设备是否支持对应差分输入,随后按A/A-、B/B-、Z/Z-分别核对双绞线和端子极性,然后检查线缆长度、屏蔽和动力线干扰,最后再核对高速计数频率和程序参数。低速能够计数并不能证明接线一定正确,而A-、B-、Z-也绝不是可以随意悬空或接0V的“备用负线”。涉及高速旋转轴、伺服机构和编码器线路检查时,应先落实设备停机和防止机械意外运动措施;编码器供电、输出电平、差分接口、终端配置和最大频率应以对应编码器及PLC、运动控制器或驱动器技术资料为准。








