光電編碼器,光電編碼器的工作原理

光電編碼器,光電編碼器的工作原理

光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖1所示；通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號(hào)。??

根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。

（一）增量式編碼器

增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對位置信息。

（二）絕對式編碼器

絕對編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可 讀出一個(gè)固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內(nèi)已有16位的絕對編碼器產(chǎn)品。

絕對式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是：

1．可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值；

2．沒有累積誤差；

3．電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。

（三）混合式絕對值編碼器

混合式絕對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。

光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。

二、光電編碼器的應(yīng)用電路

（一）EPC－755A光電編碼器的應(yīng)用

EPC－755A光電編碼器具備良好的使用性能，在角度測量、位移測量時(shí)抗干擾能力很強(qiáng)，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號(hào)，且該脈沖信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被測量的數(shù)字信號(hào)。因此，我們在研制汽車駕駛模擬器時(shí)，對方向盤旋轉(zhuǎn)角度的測量選用EPC－755A光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開路型，輸出分辨率選用360個(gè)脈沖/圈，考慮到汽車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的，既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，需要對編碼器的輸出信號(hào)鑒相后才能計(jì)數(shù)。圖2給出了光電編碼器實(shí)際使用的鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路，鑒相電路用1個(gè)D觸發(fā)器和2個(gè)與非門組成，計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成。

當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°，D觸發(fā)器輸出Q（波形W1）為高電平，Q（波形W2）為低電平，上面與非門打開，計(jì)數(shù)脈沖通過（波形W3），送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的加脈沖輸入端CU，進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；此時(shí)，下面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W4）。當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，D觸發(fā)器輸出Q（波形W1）為低電平，Q（波形W2）為高電平，上面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W3）；此時(shí)，下面與非門打開，計(jì)數(shù)脈沖通過（波形W4），送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的減脈沖輸入端CD，進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。

汽車方向盤順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，其最大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分辨率為360個(gè)脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖數(shù)為900個(gè)；實(shí)際使用的計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，先對其進(jìn)行復(fù)位（CLR信號(hào)），再將其初值設(shè)為800H，即2048（LD信號(hào)）；如此，當(dāng)方向盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2048～2948，當(dāng)方向盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2048～1148；計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D0～D11送至數(shù)據(jù)處理電路。

實(shí)際使用時(shí)，方向盤頻繁地進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由于存在量化誤差，工作較長一段時(shí)間后，方向盤回中時(shí)計(jì)數(shù)電路輸出可能不是2048，而是有幾個(gè)字的偏差；為解決這一問題，我們增加了一個(gè)方向盤回中檢測電路，系統(tǒng)工作后，數(shù)據(jù)處理電路在模擬器處于非操作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測回中檢測電路，若方向盤處于回中狀態(tài)，而計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出不是2048，可對計(jì)數(shù)電路進(jìn)行復(fù)位，并重新設(shè)置初值。

（二）光電編碼器在重力測量儀中的應(yīng)用

采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，把它的轉(zhuǎn)軸與重力測量儀中補(bǔ)償旋鈕軸相連。重力測量儀中補(bǔ)償旋鈕的角位移量轉(zhuǎn)化為某種電信號(hào)量；旋轉(zhuǎn)式光電編碼器分兩種，絕對編碼器和增量編碼器。

增量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器，其碼盤比絕對編碼器碼盤要簡單得多且分辨率更高 。一般只需要三條碼道，這里的碼道實(shí)際上已不具有絕對編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生計(jì)數(shù) 脈沖。它的碼盤的外道和中間道有數(shù)目相同均勻分布的透光和不透光的扇形區(qū)（光柵），但是兩道扇區(qū)相互錯(cuò)開半個(gè)區(qū)。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的輸出信號(hào)是相位差為90°的A相和B相脈沖 信號(hào)以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)（它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，給計(jì)數(shù) 系統(tǒng)提供一個(gè)初始的零位信號(hào)）。從A，B兩個(gè)輸出信號(hào)的相位關(guān)系（超前或滯后）可判斷旋轉(zhuǎn)的方向。由圖3（a）可見，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉(zhuǎn)時(shí) ，A道脈沖比B道滯后π/2。圖3（b）是一實(shí)際電路，用A道整形波的下沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài) 產(chǎn)生的正脈沖與B道整形波相‘與’，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據(jù)輸出脈沖源和脈沖計(jì)數(shù)來確定碼盤 的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和相對角位移量。通常，若編碼器有N個(gè)（碼道）輸出信號(hào)，其相位差為π/ N，可計(jì)數(shù)脈沖為2N倍光柵數(shù)，現(xiàn)在N=2。圖3電路的缺點(diǎn)是有時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤記脈沖造成誤差， 這種情況出現(xiàn)在當(dāng)某一道信號(hào)處于“高”或“低”電平狀態(tài)，而另一道信號(hào)正處于“高”和 “低”之間的往返變化狀態(tài)，此時(shí)碼盤雖然未產(chǎn)生位移，但是會(huì)產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。例如，碼盤發(fā)生抖動(dòng)或手動(dòng)對準(zhǔn)位置時(shí)（下面可以看到，在重力儀測量時(shí)就會(huì)有這種情況）。

圖4是一個(gè)既能防止誤脈沖又能提高分辨率的四倍頻細(xì)分電路。在這里，采用了有記憶功能 的D型觸發(fā)器和時(shí)鐘發(fā)生電路。由圖4可見，每一道有兩個(gè)D觸發(fā)器串接，這樣，在時(shí)鐘脈 沖的間隔中，兩個(gè)Q端（如對應(yīng)B道的74LS175的第2、7引腳）保持前兩個(gè)時(shí)鐘期的輸入 狀態(tài)，若兩者相同，則表示時(shí)鐘間隔中無變化；否則，可以根據(jù)兩者關(guān)系判斷出它的變化方 向，從而產(chǎn)生‘正向’或‘反向’輸出脈沖。當(dāng)某道由于振動(dòng)在‘高’、‘低’間往復(fù)變化 時(shí)，將交替產(chǎn)生‘正向’和‘反向’脈沖，這在對兩個(gè)計(jì)數(shù)器取代數(shù)和時(shí)就可消除它們的影 響（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點(diǎn)）。由此可見，時(shí)鐘發(fā)生器的頻率應(yīng)大于振動(dòng)頻率的可能 最大值。由圖4還可看出，在原一個(gè)脈沖信號(hào)的周期內(nèi)，得到了四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。例如，原每 圈脈沖數(shù)為1000的編碼器可產(chǎn)生4倍頻的脈沖數(shù)是4000個(gè)，其分辨率為0.09°。實(shí)際上 ，目前這類傳感器產(chǎn)品都將光敏元件輸出信號(hào)的放大整形等電路與傳感檢測元件封裝在一起 ，所以只要加上細(xì)分與計(jì)數(shù)電路就可以組成一個(gè)角位移測量系統(tǒng)（74159是4-16譯碼器）。

三、應(yīng)用中問題分析及改進(jìn)措施

（一）應(yīng)用中問題分析

光電檢測裝置的發(fā)射和接收裝置都安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，在使用中暴露出許多缺陷，其有內(nèi)在因素也有外在因素，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1．發(fā)射裝置或接受裝置因機(jī)械震動(dòng)等原因而引起的移位或偏移，導(dǎo)致接收裝置不能可靠的接收到光信號(hào)，而不能產(chǎn)生電信號(hào)。例如；光電編碼器應(yīng)用在軋鋼調(diào)速系統(tǒng)中，因光電編碼器是直接用螺栓固定在電動(dòng)機(jī)的外殼上，光電編碼器的軸通過較硬的彈簧片和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接，因電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載是沖擊性負(fù)載，當(dāng)軋機(jī)過鋼時(shí)會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸和外殼的振動(dòng)。經(jīng)測定；過鋼時(shí)光電編碼器振動(dòng)速度為2.6mm/s，這樣的振動(dòng)速度會(huì)損壞光電編碼器的內(nèi)部功能。造成誤發(fā)脈沖，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或誤動(dòng)作，導(dǎo)致事故發(fā)生。

2．因光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，受生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境因素影響導(dǎo)致光電檢測裝置不能可靠的工作。如安裝部位溫度高、濕度大，導(dǎo)致光電檢測裝置內(nèi)部的電子元件特性改變或損壞。例如在連鑄機(jī)送引錠跟蹤系統(tǒng)，由于光電檢測裝置安裝的位置靠近鑄坯，環(huán)境溫度高而導(dǎo)致光電檢測裝置誤發(fā)出信號(hào)或損壞，而引發(fā)生產(chǎn)或人身事故。

3．生產(chǎn)現(xiàn)場的各種電磁干擾源，對光電檢測裝置產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致光電檢測裝置輸出波形發(fā)生畸變失真，使系統(tǒng)誤動(dòng)或引發(fā)生產(chǎn)事故。例如；光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)設(shè)備本體，其信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至控制系統(tǒng)的距離一般在20m～100m，傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜，但由于電纜的導(dǎo)線電阻及線間電容的影響再加上和其他電纜同在一起敷設(shè)，極易受到各種電磁干擾的影響，因此引起波形失真，從而使反饋到調(diào)速系統(tǒng)的信號(hào)與實(shí)際值的偏差，而導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。

（二）改進(jìn)措施

1．改變光電編碼器的安裝方式。光電編碼器不在安裝在電動(dòng)機(jī)外殼上，而是在電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上制作一固定支架來獨(dú)立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動(dòng)機(jī)軸中心必須處于同一水平高度，兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接，以減輕電動(dòng)機(jī)沖擊負(fù)載對光電編碼器的機(jī)械沖擊。采用此方式后經(jīng)測振儀檢測，其振動(dòng)速度降至1.2mm/s。

2．合理選擇光電檢測裝置輸出信號(hào)傳輸介質(zhì)，采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個(gè)重要的技術(shù)特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強(qiáng)的防護(hù)能力，因?yàn)榭臻g電磁場在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。

3．利用PLC軟件監(jiān)控或干涉。在連鑄生產(chǎn)的送引錠過程要求光電檢測裝置產(chǎn)生有時(shí)序性的電信號(hào)，同時(shí)，該信號(hào)與整個(gè)過程不同階段相對應(yīng)。如圖5。?

（1）送引錠過程啟動(dòng)前，光電信號(hào)1為“1”。

（2）送引錠過程啟動(dòng)后，在A階段，輥道啟動(dòng)，引錠桿上送。當(dāng)引錠桿擋住光電裝置發(fā)射出的紅外光時(shí)，光電信號(hào)為“0”；當(dāng)紅外光透過引錠桿中部2個(gè)小圓孔時(shí)，光電裝置發(fā)出信號(hào)2和3，均為“1”。

（3）送引錠過程在B階段，光電信號(hào)為“0”，輥道停下，引錠桿暫停上送，扇形10段壓下，啟動(dòng)拉矯機(jī)和“同步1”，引錠桿繼續(xù)上送。

（4）送引錠過程在C階段，引錠桿上送，并不再擋住紅外光，光電信號(hào)4為“1”，啟動(dòng)“同步2”，停下“同步1”，引錠桿繼續(xù)上送。至此光電裝置工作過程結(jié)束。

根據(jù)光檢測電裝置的工作過程，只要現(xiàn)場測定送引錠過程中各個(gè)光電信號(hào)發(fā)生的時(shí)間，結(jié)合送引錠過程與光電信號(hào)的關(guān)系，利用PLC應(yīng)用程序中的相關(guān)數(shù)據(jù)，編制符合要求的PLC程序，將PLC程序輸出信號(hào)輸入至PLC的輸入模塊，替代原光電信號(hào)的輸入信號(hào)。其程序框圖如圖6所示。?

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四、結(jié)語

光電檢測裝置本身是由電子元器件構(gòu)成，它對安裝環(huán)境有一定的技術(shù)要求，特別是在較惡劣環(huán)境下使用，要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以使光電檢測裝置工作在其產(chǎn)品要求的技術(shù)條件下，才能發(fā)揮裝置的技術(shù)性能。否則光電檢測裝置的使用壽命及其工作的可靠性都將受到不同程度的影響。結(jié)合光電檢測裝置在生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用實(shí)踐，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中；不宜采用光電檢測裝置的信號(hào)作為重要的控制信號(hào)，以避免光電裝置突然損壞或工作不穩(wěn)定（環(huán)境高溫、濕度大、機(jī)械振動(dòng)、外力碰創(chuàng)等）引起其他設(shè)備事故。在控制系統(tǒng)中應(yīng)用PLC程序?qū)嵾m進(jìn)行過程控制的監(jiān)控或干涉，以克服了因系統(tǒng)中采用光電裝置而存在的各種缺陷，是提高系統(tǒng)可靠性.