1、1.光电编码器原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图 1 所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90 旱牧铰仿龀逍藕拧根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝
2、对式以及混合式三种。1.1 增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、B 和 Z 相；A、B 两组脉冲相位差 90 海佣煞奖愕嘏卸铣鲂较颍鳽相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。1.2 绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于
3、不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有 N 条码道。目前国内已有 16 位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：1.2.1 可以直接读出角度坐标的绝对值；1.
4、2.2 没有累积误差；1.2.3 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有 10 位、14 位等多种。1.3 混合式绝对值编码器混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。2. 光电编码器的应用电路2.1 EPC755A
5、光电编码器的应用EPC755A 光电编码器具备良好的使用性能，在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。因此，我们在研制汽车驾驶模拟器时，对方向盘旋转角度的测量选用 EPC755A 光电编码器作为传感器，其输出电路选用集电极开路型，输出分辨率选用 360 个脉冲/圈，考虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。图 2 给出了光电编码器实际使用的鉴相与双向计数电路，鉴相电路用 1 个 D 触发器和 2 个与非门组成，计数电路用 3 片 74LS193 组成。当光电编码器顺
6、时针旋转时，通道 A 输出波形超前通道 B 输出波形 90°，D 触发器输出 Q(波形 W1)为高电平，Q(波形 W2)为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过(波形 W3)，送至双向计数器 74LS193 的加脉冲输入端 CU，进行加法计数；此时，下面与非门关闭，其输出为高电平(波形 W4)。当光电编码器逆时针旋转时，通道 A 输出波形比通道 B 输出波形延迟 90°，D 触发器输出 Q(波形 W1)为低电平，Q(波形 W2)为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平(波形 W3)；此时，下面与非门打开，计数脉冲通过(波形 W4)，送至双向计数器 74LS193 的减脉冲输入
7、端 CD，进行减法计数。汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时，其最大旋转角度均为两圈半，选用分辨率为 360 个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉冲数为 900 个；实际使用的计数电路用 3 片 74LS193 组成，在系统上电初始化时，先对其进行复位(CLR 信号)，再将其初值设为 800H，即 2048(LD 信号)；如此，当方向盘顺时针旋转时，计数电路的输出范围为 20482948，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为 20481148；计数电路的数据输出 D0D11 送至数据处理电路。实际使用时，方向盘频繁地进行顺时针和逆时针转动，由于存在量化误差，工作较长一段时间后，方向盘回中时计数电路
8、输出可能不是 2048，而是有几个字的偏差；为解决这一问题，我们增加了一个方向盘回中检测电路，系统工作后，数据处理电路在模拟器处于非操作状态时，系统检测回中检测电路，若方向盘处于回中状态，而计数电路的数据输出不是 2048，可对计数电路进行复位，并重新设置初值。2.2 光电编码器在重力测量仪中的应用采用旋转式光电编码器，把它的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连。重力测量仪中补偿旋钮的角位移量转化为某种电信号量；旋转式光电编码器分两种，绝对编码器和增量编码器。增量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高。一般只需要三条码道，这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道
9、的意义，而是产生计数脉冲。它的码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），但是两道扇区相互错开半个区。当码盘转动时，它的输出信号是相位差为 90°的 A 相和 B 相脉冲信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数系统提供一个初始的零位信号）。从 A，B 两个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。由图 3（a）可见，当码盘正转时，A 道脉冲波形比 B 道超前 /2，而反转时，A 道脉冲比 B 道滞后 /2。图 3（b）是一实际电路，用 A 道整形波的下沿触发单稳态产生的正脉冲与 B 道整形波相与，当码盘正转时只有
10、正向口脉冲输出，反之，只有逆向口脉冲输出。因此，增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向和相对角位移量。通常，若编码器有 N个（码道）输出信号，其相位差为 / N，可计数脉冲为 2N 倍光栅数，现在 N=2。图 3 电路的缺点是有时会产生误记脉冲造成误差，这种情况出现在当某一道信号处于高或低电平状态，而另一道信号正处于高和 低之间的往返变化状态，此时码盘虽然未产生位移，但是会产生单方向的输出脉冲。例如，码盘发生抖动或手动对准位置时（下面可以看到，在重力仪测量时就会有这种情况）。图 4 是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。在这里，采用了有记忆功能的 D 型触发器和
11、时钟发生电路。由图 4 可见，每一道有两个 D 触发器串接，这样，在时钟脉冲的间隔中，两个 Q 端（如对应 B 道的 74LS175 的第 2、7 引脚）保持前两个时钟期的输入状态，若两者相同，则表示时钟间隔中无变化；否则，可以根据两者关系判断出它的变化方向，从而产生正向或反向输出脉冲。当某道由于振动在高、低间往复变化时，将交替产生正向和反向脉冲，这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影响（下面仪器的读数也将涉及这点）。由此可见，时钟发生器的频率应大于振动频率的可能最大值。由图 4 还可看出，在原一个脉冲信号的周期内，得到了四个计数脉冲。例如，原每圈脉冲数为 1000 的编码器可产生 4 倍
12、频的脉冲数是 4000 个，其分辨率为 0.09°。实际上，目前这类传感器产品都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起，所以只要加上细分与计数电路就可以组成一个角位移测量系统(74159 是 4-16 译码器)。增量型旋转编码器根据轴的旋转变化量输出脉冲序列。可通过其他计数器，计算输出脉冲数，并通过计数器检测旋转量。可以追加电路，产生一周期信号的 2 倍，4 倍脉冲数，提供电流的分辨率。选型标准1 增量型，或绝对型2 分辨率的精确度的选择3 外形尺寸 （中空轴，杆轴）4 轴允许负载5 最大允许转速6 最高响应频率 （转速/60× 分辨率）注意要留有余度7
13、 保护结构 （防水，防油，灰尘等）8 轴的旋转启动转矩9 输出电路方式 （长距离时，要选择线路激励器）绝对脉冲编码器:APC 增量脉冲编码器:SPC 两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件. 旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有） ，和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差 90 度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。 增量型编码器与绝对型编码器的区分 编码器如以信号原理来分，有增量型编码器,绝对型编码器。 增 量 型 编 码 器 (旋转型
14、) 工作原理: 由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成 A、B 、C、D,每个正弦波相差 90 度相位差（相对于一个周波为 360 度） ，将 C、D 信号反向，叠加在 A、B 两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个 Z 相脉冲以代表零位参考位。 由于 A、B 两相相差 90 度，可通过比较 A 相在前还是 B 相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。 编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚
15、度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。 分辨率编码器以每旋转 360 度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度 510000 线。 信号输出: 信号输出有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,集电极开路（PNP 、NPN）,推拉式多种形式，其中 TTL 为长线差分驱动（对称 A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL 也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。 信号连接编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC 和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 A.B 两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。 A、B、Z 三相联接，用于带参考位修正的位置测量。 A、A-，B 、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为 0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。 对于 TTL 的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达 150 米。 对于 HTL 的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达 300 米。
