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(jī)械電子工程081班，202100384106摘 要： 光電編碼器，是一種通過(guò)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。它是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光電編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測(cè)裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用可靠、易于維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。近10幾年來(lái)，開(kāi)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(jī)床、機(jī)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(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測(cè)裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用可靠、易于維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。近10 幾年來(lái)，開(kāi)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(jī)床、機(jī)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(guò)光電轉(zhuǎn)換，將輸至軸上的機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，它主要用于速度或位置角度的檢測(cè)。典型的光電編碼器由碼盤(pán)Disk、檢測(cè)光柵Mask、光電轉(zhuǎn)換電路包括光源、光敏器件、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、機(jī)械部件等組成。一般來(lái)說(shuō)，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(duì)式以及復(fù)合式三大類(lèi)。按編碼器運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)分，可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。由于直線式運(yùn)動(dòng)可以借助機(jī)械連接轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)，反之亦然。因此，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)方式都有利于使用直線式光電編碼器的場(chǎng)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(shí)現(xiàn)小型化，傳感長(zhǎng)度較長(zhǎng)，具有較長(zhǎng)的環(huán)境適用能力，因而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，在本書(shū)中主要針對(duì)旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，如不特別說(shuō)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(diǎn)是每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)就對(duì)應(yīng)于一個(gè)增量位移，但是不能通過(guò)輸出脈沖區(qū)別出在哪個(gè)位置上的增量。增量式光電編碼器主要由光源、碼盤(pán)、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)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(hào)波形如圖1-2 所示。 1.2 絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤(pán)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(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤(pán)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(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤(pán)必須有N條碼道。目前國(guó)內(nèi)已有16位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。 絕對(duì)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(duì)式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤(pán)上透光、不透光的線條圖形，絕對(duì)編碼器可有假設(shè)干編碼，根據(jù)讀出碼

8、盤(pán)上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)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： 圖1-3 絕對(duì)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(duì)值； 1.2.2沒(méi)有累積誤差； 1.2.3電源切除后位置信息不會(huì)喪失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的，也就是說(shuō)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(duì)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(cè)永磁伺服電機(jī)磁極位置的碼道。它輸出兩組信息：一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)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(cè)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(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(cè)定等需要檢測(cè)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(cè)量、位移測(cè)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(cè)量的數(shù)字信號(hào)。因此，我們?cè)谘兄破?chē)駕駛模擬器時(shí)，對(duì)方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)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(kāi)路型，輸出分辨率選用360 個(gè)脈沖/圈，考慮到汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的，既

10、可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，需要對(duì)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(mén)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(mén)翻開(kāi)，計(jì)數(shù) 脈沖通過(guò)(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(mén)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

11、，Q(波形W2)為高電平，上面與非門(mén)關(guān)閉，其輸出為高 電平(波形W3)；此時(shí)，下面與非門(mén)翻開(kāi)，計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)(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(chē)方向盤(pán)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(duì)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(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為20482948，當(dāng)方向盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為20481148；計(jì)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(shí)際使用時(shí)，方向盤(pán)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(zhǎng)一段時(shí)間后，方向盤(pán)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(wèn)題，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)方向盤(pán)回中檢測(cè)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(cè)回中檢 測(cè)電路，假設(shè)方向盤(pán)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(duì)計(jì)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(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕軸相連。重力測(cè)量?jī)x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(duì)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(pán)比絕對(duì)編碼器碼盤(pán)要簡(jiǎn)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(duì)編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生計(jì)數(shù) 脈沖。它的碼盤(pán)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(kāi)半個(gè)區(qū)。當(dāng)碼盤(pán)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(pán)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3a可見(jiàn)，當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道超 前/2，而反轉(zhuǎn)時(shí) ，A道脈沖比B道滯后/2。圖

14、3b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(pán)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(lái)確定碼盤(pán) 的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和相對(duì)角位移量。通常，假設(shè)編碼器有N個(gè)碼道輸出信號(hào)，其相位差為/ 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(pán)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(pán)發(fā)生抖動(dòng)或手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)位置時(shí)下面可以看到，在重力儀測(cè)量時(shí)就會(huì)有這種情況。  圖

15、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(jiàn)，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(duì)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)，假設(shè)兩者相同，那么表示時(shí)鐘間隔中無(wú)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(dòng)在高、低間往復(fù)變化 時(shí)，將交替產(chǎn)生正向和反向°。實(shí)際上，目前這類(lèi)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)(74159是4-1

16、6譯碼器)。3 應(yīng)用中問(wèn)題分析及改良措施3.1 應(yīng)用中問(wèn)題分析 光電檢測(cè)裝置的發(fā)射和接收裝置都安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，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：3.1.1 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(guò)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(guò)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(cè)定；過(guò)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

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(dòng)作，導(dǎo)致事故發(fā)生。3.1.2因光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，受生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素影響導(dǎo)致光電檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)裝置誤發(fā)出信號(hào)或損壞，而引發(fā)生產(chǎn)或人身事故。3.1.3生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾源，對(duì)光電檢測(cè)裝置產(chǎn)生的干擾，導(dǎo) 致光電檢測(cè)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(cè)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(hào)與實(shí)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(dòng)機(jī)外殼上，而是在電動(dòng)機(jī)的根底上制作一固定支架來(lái)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(duì)光電編碼器的機(jī)械沖擊。采用此方式后經(jīng)測(cè)振儀檢測(cè)，其振動(dòng)速度降至1.2mm/s。3.2.2 合理選擇光電檢測(cè)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

19、纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個(gè)重要的技術(shù)特性，一是對(duì)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(chǎng)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(duì)干擾線路的距離根本相等，兩線對(duì)屏 蔽網(wǎng)的分布電容也根本相同，這對(duì)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(guò)程要求光電檢測(cè)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(guò)程不同階段相對(duì)應(yīng)。如圖5。送引錠過(guò)程啟動(dòng)前，光電信號(hào)1為“1。送引錠過(guò)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(guò)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。送引錠過(guò)程在B階段，光電信號(hào)為“0，輥道停下，