光電編碼器的特性及應(yīng)用（接口技術(shù)論文）

1、光電編碼器的特性及應(yīng)用孫章鵬機械電子工程081班，202100384106摘 要： 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出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。它是由光柵盤和光電檢測裝置組成。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，開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(dá)、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。關(guān) 鍵 詞： 光電編碼器；原理；應(yīng)用Abstract: The photoelectric enco

2、der, a photoelectric conversion to the output shaft by a mechanical displacement into geometric pulse or digital sensors. It is by the grating disk and the optical detection device composition. Optical encoder is a set of optical, mechanical, electrical as one of the digital measurement device, it h

3、as a high resolution, high precision,Simple structure, small size, reliable, easy to maintain, cost-effective advantages. The past 10 years, developed into a mature multi-standard, high-performance series of industrial products, CNC machine tools, robots, radar, optical theodolite, ground command de

4、vice, high-precision closed-loop speed control system, servo system, and many other areas Has been widely used. Key words: optical encoder; principle; applications1 光電編碼器概述及其工作原理 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，開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(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀

5、、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

6、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那么指旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。 1.1 增量式編碼器 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。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。增量式光電編碼器輸出信號波形如圖1-2 所示。 1.2 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假設(shè)干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)

7、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，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，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個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，絕對編碼器可有假設(shè)干編碼，根據(jù)讀出碼

8、盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設(shè)計可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補碼等。它的特點是： 圖1-3 絕對式光電編碼器原理1.2.1可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值； 1.2.2沒有累積誤差； 1.2.3電源切除后位置信息不會喪失。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。 1.3 混合式絕對值編碼器 混合式光電編碼器，就是在增量式光電編碼器的根底上，增加了一組用于檢測永磁伺服電機磁極位置的碼道。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；另一組那么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

9、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。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機器人、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。2 光電編碼器的應(yīng)用電路2.1 EPC755A光電編碼器的應(yīng)用 EPC755A 光電編碼器具備良好的使用性能，在角度測量、位移測量時抗干擾能力很強，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號，且該脈沖信號經(jīng)計數(shù)后可得到被測量的數(shù)字信號。因此，我們在研制汽車駕駛模擬器時，對方向盤旋轉(zhuǎn)角度的測量選用EPC755A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 個脈沖/圈，考慮到汽車方向盤轉(zhuǎn)動是雙向的，既

10、可順時針旋轉(zhuǎn)，也可逆時針旋轉(zhuǎn)，需要對編碼器的輸出信號鑒相后才能計數(shù)。圖2給出了光電編碼器實際使用的鑒相與雙向計數(shù)電路，鑒相電路用1個D觸發(fā)器和2個與非門組成，計數(shù)電路用3片74LS193組成。 當(dāng)光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時，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，上面與非門翻開，計數(shù) 脈沖通過(波形W3)，送至雙向計數(shù)器74LS193的加脈沖輸入端CU，進(jìn)行加法計數(shù)；此時，下面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平(波形W4)。當(dāng)光電編碼 器逆時針旋轉(zhuǎn)時，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

11、，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，下面與非門翻開，計數(shù)脈沖通過(波形W4)，送至雙向計數(shù)器74LS193的減脈沖輸入端CD，進(jìn)行減法計數(shù)。 汽車方向盤順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時，其最大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分辨率為360個脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖數(shù)為900個；實際使用的計數(shù)電路用3 片74LS193組成，在系統(tǒng)上電初始化時，先對其進(jìn)行復(fù)位(CLR信號)，再將其初值設(shè)為800H，即2048(LD信號)；如此，當(dāng)方向盤順時針旋轉(zhuǎn) 時，計數(shù)電路的輸出范圍為20482948，當(dāng)方向盤逆時針旋轉(zhuǎn)時，計數(shù)電路的輸出范圍為20481148；計數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D

12、0D11送至數(shù)據(jù) 處理電路。 實際使用時，方向盤頻繁地進(jìn)行順時針和逆時針轉(zhuǎn)動，由于存在量化誤差，工作較長一段時間后，方向盤回中時計數(shù)電路輸出可能不是 2048，而是有幾個字的偏差；為解決這一問題，我們增加了一個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，系統(tǒng)檢測回中檢 測電路，假設(shè)方向盤處于回中狀態(tài)，而計數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出不是2048，可對計數(shù)電路進(jìn)行復(fù)位，并重新設(shè)置初值。2.2 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償旋鈕軸相連。重力測量儀中補償旋鈕的角位移量轉(zhuǎn)化為某種電信號量；旋轉(zhuǎn)式光電編碼器分兩種，絕對編碼器和增量編碼器。

13、 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，這里的碼道實際上已不具有絕對編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生計數(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)相互錯開半個區(qū)。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動時，它的輸出信號是相位差為90°的A相和B相脈沖 信號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，給計數(shù) 系統(tǒng)提供一個初始的零位信號。從A，B兩個輸出信號的相位關(guān)系超前或滯后可判斷旋轉(zhuǎn)的方向。由圖3a可見，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時，A道脈沖波形比B道超 前/2，而反轉(zhuǎn)時 ，A道脈沖比B道滯后/2。圖

14、3b是一實際電路，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數(shù)來確定碼盤 的轉(zhuǎn)動方向和相對角位移量。通常，假設(shè)編碼器有N個碼道輸出信號，其相位差為/ N，可計數(shù)脈沖為2N倍光柵數(shù)，現(xiàn)在N=2。圖3電路的缺點是有時會產(chǎn)生誤記脈沖造成誤差，這種情況出現(xiàn)在當(dāng)某一道信號處于高或低電平狀態(tài)，而另一道信號正處于高和 低之間的往返變化狀態(tài)，此時碼盤雖然未產(chǎn)生位移，但是會產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。例如，碼盤發(fā)生抖動或手動對準(zhǔn)位置時下面可以看到，在重力儀測量時就會有這種情況。  圖

15、4是一個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)器和時鐘發(fā)生電路。由圖4可見，每一道有兩個D觸發(fā)器串接，這樣，在時鐘脈 沖的間隔中，兩個Q端如對應(yīng)B道的74LS175的第2、7引腳保持前兩個時鐘期的輸入 狀態(tài)，假設(shè)兩者相同，那么表示時鐘間隔中無變化；否那么，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)某道由于振動在高、低間往復(fù)變化 時，將交替產(chǎn)生正向和反向°。實際上，目前這類傳感器產(chǎn)品都將光敏元件輸出信號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)分與計數(shù)電路就可以組成一個角位移測量系統(tǒng)(74159是4-1

16、6譯碼器)。3 應(yīng)用中問題分析及改良措施3.1 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)在以下幾個方面：3.1.1 發(fā)射裝置或接受裝置因機械震動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，而不能產(chǎn)生電信號。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機的外殼上，光電編碼器的軸通過較硬的彈簧片和電動機轉(zhuǎn)軸相連接，因電動機所帶負(fù)載是沖擊性負(fù)載，當(dāng)軋機過鋼時會 引起電動機轉(zhuǎn)軸和外殼的振動。經(jīng)測定；過鋼時光電編碼器振動速度為2.6mm/s，這樣的振動速度會損壞光電編碼器的內(nèi)部

17、功能。造成誤發(fā)脈沖，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或誤動作，導(dǎo)致事故發(fā)生。3.1.2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)出信號或損壞，而引發(fā)生產(chǎn)或人身事故。3.1.3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，其信號經(jīng)電纜傳輸至控制系統(tǒng)的距離一般在20 100米，傳輸電纜雖然一

18、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它電纜同在一起敷設(shè)，極易受到各種電磁干擾的影響，因此 引起波形失真，從而使反應(yīng)到調(diào)速系統(tǒng)的信號與實際值的偏差，而導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。3.2 改良措施3.2.1改變光電編碼器的安裝方式。光電編碼器不在安裝在電動機外殼上，而是在電動機的根底上制作一固定支架來獨立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動機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，以減輕電動機沖擊負(fù)載對光電編碼器的機械沖擊。采用此方式后經(jīng)測振儀檢測，其振動速度降至1.2mm/s。3.2.2 合理選擇光電檢測裝置輸出信號傳輸介質(zhì)，采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電

19、纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個重要的技術(shù)特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強的防護能力，因為空間電磁場在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個技術(shù)特點是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離根本相等，兩線對屏 蔽網(wǎng)的分布電容也根本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。3.2.3利用PLC軟件監(jiān)控或干預(yù)。在連鑄生產(chǎn)的送引錠過程要求光電檢測裝置產(chǎn)生有時序性的電信號，同時，該信號與整個過程不同階段相對應(yīng)。如圖5。送引錠過程啟動前，光電信號1為“1。送引錠過程啟動后，在A階段，輥道啟動，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，光電信號為“0；當(dāng)紅外光透過引錠桿中部2個小圓孔時，光電裝置發(fā)出信號2和3，均為“1。送引錠過程在B階段，光電信號為“0，輥道停下，