光學(xué)編碼器基礎(chǔ)

光電編碼器基礎(chǔ)1.1概述光電編碼器是一種集光、機、電為一體的數(shù)字化檢測裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用可靠、易于維護、性價比高等優(yōu)點。近10幾年來，發(fā)展為一種成熟的多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品，在數(shù)控機床、機器人、雷達、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。光電編碼器可以定義為：一種通過光電轉(zhuǎn)換，將輸至軸上的機械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，它主要用于速度或位置（角度）的檢測。典型的光電編碼器由碼盤（Disk）、檢測光柵（Mask）、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號轉(zhuǎn)換電路）、機械部件等組成。一般來說，根據(jù)光電編碼器產(chǎn)生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對式以及復(fù)合式三大類。按編碼器運動部件的運動方式來分，可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。由于直線式運動可以借助機械連接轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)式運動，反之亦然。因此，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運動方式都有利于使用直線式光電編碼器的場合才予使用。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實現(xiàn)小型化，傳感長度較長，具有較長的環(huán)境適用能力，因而在實際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，在本書中主要針對旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，如不特別說明，所提到的光電編碼器則指旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。1.2增量式光電編碼器1.2.1原理及其結(jié)構(gòu)增量式光電編碼器的特點是每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應(yīng)于一個增量位移，但是不能通過輸出脈沖區(qū)別出在哪個位置上的增量。它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號，其作用是提供一種對連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法，它是相對于某個基準(zhǔn)點的相對位置增量，不能夠直接檢測出軸的絕對位置信息。一般來說，增量式光電編碼器輸出A、B兩相互差 電度角的脈沖信號（即所謂的兩組正交輸出信號），從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。同時還有用作參考零位的Z相標(biāo)志（指示）脈沖信號，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個標(biāo)志信號。標(biāo)志脈沖通常用來指示機械位置或?qū)Ψe累量清零。增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成，如圖1-1所示。碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期；檢測光柵上刻有A、B兩組與碼盤相對應(yīng)的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯開1/4節(jié)距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差 電度角。當(dāng)碼盤隨著被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的透過縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差 電度角的近似于正弦波的電信號，電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路的信號處理，可以得到被測軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。增量式光電編碼器輸出信號波形如圖1-2所示。增量式光電編碼器的優(yōu)點是：原理構(gòu)造簡單、易于實現(xiàn)；機械平均壽命長，可達到幾萬小時以上；分辨率高；抗干擾能力較強，信號傳輸距離較長，可靠性較高。其缺點是它無法直接讀出轉(zhuǎn)動軸的絕對位置信息。圖1-1增量式光電編碼器的組成圖1-2增量式光電編碼器的輸出信號波形1.2.2基本技術(shù)規(guī)格在增量式光電編碼器的使用過程中，對于其技術(shù)規(guī)格通常會提出不同的要求，其中最關(guān)鍵的就是它的分辨率、精度、輸出信號的穩(wěn)定性、響應(yīng)頻率、信號輸出形式。（1）分辨率光電編碼器的分辨率是以編碼器軸轉(zhuǎn)動一周所產(chǎn)生的輸出信號基本周期數(shù)來表示的，即脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（PPR）。碼盤上的透光縫隙的數(shù)目就等于編碼器的分辨率，碼盤上刻的縫隙越多，編碼器的分辨率就越高。在工業(yè)電氣傳動中，根據(jù)不同的應(yīng)用對象，可選擇分辨率通常在5006000PPR的增量式光電編碼器，最高可以達到幾萬PPR。交流伺服電機控制系統(tǒng)中通常選用分辨率為2500PPR的編碼器。此外對光電轉(zhuǎn)換信號進行邏輯處理，可以得到2倍頻或4倍頻的脈沖信號，從而進一步提高分辨率。（2）精度增量式光電編碼器的精度與分辨率完全無關(guān)，這是兩個不同的概念。精度是一種度量在所選定的分辨率范圍內(nèi)，確定任一脈沖相對另一脈沖位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒來表示。編碼器的精度與碼盤透光縫隙的加工質(zhì)量、碼盤的機械旋轉(zhuǎn)情況的制造精度因素有關(guān)，也與安裝技術(shù)有關(guān)。（3）輸出信號的穩(wěn)定性編碼器輸出信號的穩(wěn)定性是指在實際運行條件下，保持規(guī)定精度的能力。影響編碼器輸出信號穩(wěn)定性的主要因素是溫度對電子器件造成的漂移、外界加于編碼器的變形力以及光源特性的變化。由于受到溫度和電源變化的影響，編碼器的電子電路不能保持規(guī)定的輸出特性，在設(shè)計和使用中都要給予充分考慮。（4）響應(yīng)頻率編碼器輸出的響應(yīng)頻率取決于光電檢測器件、電子處理線路的響應(yīng)速度。當(dāng)編碼器高速旋轉(zhuǎn)時，如果其分辨率很高，那么編碼器輸出的信號頻率將會很高。如果光電檢測器件和電子線路元器件的工作速度與之不能相適應(yīng)，就有可能使輸出波形嚴(yán)重畸變，甚至產(chǎn)生丟失脈沖的現(xiàn)象。這樣輸出信號就不能準(zhǔn)確反映軸的位置信息。所以，每一種編碼器在其分辨率一定的情況下，它的最高轉(zhuǎn)速也是一定的，即它的響應(yīng)頻率是受限制的。編碼器的最大響應(yīng)頻率、分辨率和最高轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如公式（1-1）所示。(1-1) 其中， 為最大響應(yīng)頻率、 為最高轉(zhuǎn)速、N為分辨率。（5）信號輸出形式在大多數(shù)情況下，直接從編碼器的光電檢測器件獲取的信號電平較低，波形也不規(guī)則，還不能適應(yīng)于控制、信號處理和遠距離傳輸?shù)囊蟆Ｋ裕诰幋a器內(nèi)還必須將此信號放大、整形。經(jīng)過處理的輸出信號一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波輸出信號容易進行數(shù)字處理，所以這種輸出信號在定位控制中得到廣泛的應(yīng)用。采用正弦波輸出信號時基本消除了定位停止時的振蕩現(xiàn)象，并且容易通過電子內(nèi)插方法，以較低的成本得到較高的分辨率。增量式光電編碼器的信號輸出形式有：集電極開路輸出（Open Collector）、電壓輸出（Voltage Output）、線驅(qū)動輸出（Line Driver）、互補型輸出（Complemental Output）和推挽式輸出（Totem Pole）。集電極開路輸出這種輸出方式通過使用編碼器輸出側(cè)的NPN晶體管，將晶體管的發(fā)射極引出端子連接至0V，斷開集電極與+Vcc的端子并把集電極作為輸出端。在編碼器供電電壓和信號接受裝置的電壓不一致的情況下，建議使用這種類型的輸出電路。輸出電路如圖1-3所示。主要應(yīng)用領(lǐng)域有電梯、紡織機械、注油機、自動化設(shè)備、切割機械、印刷機械、包裝機械和針織機械等。圖1-3集電極開路輸出電路電壓輸出這種輸出方式通過使用編碼器輸出側(cè)的NPN晶體管，將晶體管的發(fā)射極引出端子連接至0V，集電極端子與+Vcc和負(fù)載電阻相連，并作為輸出端。在編碼器供電電壓和信號接受裝置的電壓一致的情況下，建議使用這種類型的輸出電路。輸出電路如圖1-4所示。主要應(yīng)用領(lǐng)域有電梯、紡織機械、注油機、自動化設(shè)備、切割機械、印刷機械、包裝機械和針織機械等。圖1-4電壓輸出電路線驅(qū)動輸出這種輸出方式將線驅(qū)動專用IC芯片（26LS31）用于編碼器輸出電路，由于它具有高速響應(yīng)和良好的抗噪聲性能，使得線驅(qū)動輸出適宜長距離傳輸。輸出電路如圖1-5所示。主要應(yīng)用領(lǐng)域有伺服電機、機器人、數(shù)控加工機械等。圖1-5線驅(qū)動輸出電路互補型輸出這種輸出方式由上下兩個分別為PNP型和NPN型的三極管組成，當(dāng)其中一個三極管導(dǎo)通時，另外一個三極管則關(guān)斷。這種輸出形式具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此在低阻抗情況下它也可以提供大范圍的電源。由于輸入、輸出信號相位相同且頻率范圍寬，因此它適合長距離傳輸。輸出電路如圖1-6所示。主要應(yīng)用于電梯領(lǐng)域或?qū)Ｓ妙I(lǐng)域。圖1-6互補型輸出電路推挽式輸出這種輸出方式由上下兩個NPN型的三極管組成，當(dāng)其中一個三極管導(dǎo)通時，另外一個三極管則關(guān)斷。電流通過輸出側(cè)的兩個晶體管向兩個方向流入，并始終輸出電流。因此它阻抗低，而且不太受噪聲和變形波的影響。輸出電路如圖1-7所示。主要應(yīng)用領(lǐng)域有電梯、紡織機械、注油機、自動化設(shè)備、切割機械、印刷機械、包裝機械和針織機械等。圖1-7推挽式輸出電路最高響應(yīng)頻率：就是編碼器電氣上最大能響應(yīng)的頻率數(shù)，如果在高于這個參數(shù)的頻率下使用，則編碼器內(nèi)部電路會無法響應(yīng)，會導(dǎo)致編碼器漏脈沖的現(xiàn)象發(fā)生，最高響應(yīng)頻率單位為KHz。允許最高轉(zhuǎn)速：就是指編碼器的軸機械運動時，所能承受的最高轉(zhuǎn)速，高于這個參數(shù)，則編碼器的軸可能會損壞。允許最高轉(zhuǎn)速單位為r/min。 注意：實際使用時，這兩項參數(shù)都需考慮，必須都小于這兩相參數(shù)規(guī)定的值，才能正常使用。一信號輸出的匹配：增量編碼器的連接，首先最重要的是清楚編碼器的信號輸出形式與接收設(shè)備的匹配問題。選編碼器或選接收設(shè)備一定要兩者信號形式的匹配。增量編碼器的信號輸出從波形上看，分正余弦輸出（sin/cos）與方波輸出兩種。（圖）1正余弦輸出（sin/cos)的信號是模擬量變化的信號周期，又分電壓輸出1Vpp和電流輸出11uApp，這兩種輸出一般PLC都沒有接口，大部分是連接專用的運動控制卡，其內(nèi)部可做細(xì)分而獲得更高的分辨率和動態(tài)特性，也有連接專用的細(xì)分盒再細(xì)分后輸出方波的，選型時搞清楚是電壓輸出還是電流輸出（現(xiàn)在大部分是電壓輸出了）。2方波輸出的也有分集電極開路輸出（NPN或PNP）、電壓輸出、差分長線驅(qū)動、推挽式輸出等。21集電極開路輸出就是類晶體管放大電路，三極管放大集電極開路輸出，依據(jù)三極管的極性，分NPN與PNP ，后接收設(shè)備選型要匹配不可選錯，這種輸出電路簡單經(jīng)濟，但選型面窄，傳遞距離根據(jù)放大管有遠有近，但總體傳遞距離不遠，且保護不夠，較易損壞，大部分用在單機設(shè)備上而不是工程項目中。這種輸出的電壓依據(jù)供電，有512V 輸出和12-24V 輸出，這也要搞清楚才能確保信號的連接。 22電壓輸出，就是在集電極開路輸出的反相增加一個電阻，構(gòu)成一個極性是PNP或NPN ,而另一個極性是電壓，實際上就是NPN+電壓或PNP+電壓，這是針對是PNP的或NPN的形式的接收設(shè)備的一種權(quán)宜，便于兩者都可以連接，但現(xiàn)在這種電壓接口往往已經(jīng)做在了經(jīng)濟型PLC上了，如果是那樣的PLC ，還是應(yīng)該直接選集電極開路輸出的，或電壓型的極性相當(dāng)?shù)木幋a器，因為如果選電壓輸出型的編碼器PNP+電壓的，而連接的PLC是NPN+電壓的，就會有漏電流而產(chǎn)生錯誤。23差分長線驅(qū)動（line drive）,（有的歐洲的編碼器用TTL5V來表示，是相對于后面介紹的HTL的），這是一種差分放大電路，大部分是5V，提供A+、B+、Z+及其180度反相的A-、B-、Z-，讀取時，以A+與A-的差分值讀取，對于共摸干擾有抑制作用，傳遞距離較遠，由于抗干擾能力較強，在運動控制（數(shù)控機床）中用得較多