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1、光电编码器的原理与应用0引言光电编码器是一种旋转式位置传感器，在现代伺服系统中广泛应用于角位移或角速率的 测量，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。它能将被测轴的角位移转换成 二进制编码或一串脉冲。光电编码器分为绝对式和增量式两种类型。增量式光电编码器具有结构简单、体积小、 价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点，应用更为广泛。在高分辨率和大量程角速 率/位移测量系统中，增量式光电编码器更具优越性。绝对式编码器能直接给出对应于每个 转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减 速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、
2、成本高。1增量式编码器1.1增量式光电编码器的结构增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这 些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。增量式光电编码器结构示意图如图1所 /示O图1增量式光电码盘结构示意图光电码盘与转轴连在一起。码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，然 后在边缘制成向心的透光狭缝。透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。 这样，整个码盘圆周上就被等分成n个透光的槽。增量式光电码盘也可用不锈钢薄板制成， 然后在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽。1.2增量式编码器的工作原理增量式编码器的工作原理如图2所示。它由主码盘、鉴
3、向盘、光学系统和光电变换器组 成。在图形的主码盘（光电盘）周边上刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区 和不透明区。鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距， 以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘 与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴 向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透 明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码 盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换
4、器A、B的 输出电压相位差为90。图2增量式编码器工作原理图3光电编码器的输出波形光电编码器的光源最常用的是自身有聚光效果的发光二极管。当光电码盘随工作轴一起 转动时，光线透过光电码盘和光栏板狭缝，形成忽明忽暗的光信号。光敏元件把此光信号转 换成电脉冲信号，通过信号处理电路后，向数控系统输出脉冲信号，也可由数码管直接显示 位移量。光电编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，能分辨的角度a为： a=360/n（1）分辨率=l/n （2）例如：码盘边缘的透光槽数为1 024个，则能分辨的最小角度a=360/1 024=0.352。为了判断码盘旋转的方向，必须在光栏板上设置两个狭缝，其距离
5、是码盘上的两个狭缝 距离的（m+1/4）倍，m为正整数，并设置了两组对应的光敏元件，如图1中的A、B光敏元 件，有时也称为cos、sin元件。当检测对象旋转时，同轴或关联安装的光电编码器便会输出 A、B两路相位相差90的数字脉冲信号。光电编码器的输出波形如图3所示。为了得到码盘 转动的绝对位置，还须设置一个基准点，如图1中的“零位标志槽”。码盘每转一圈，零位标 志槽对应的光敏元件产生一个脉冲，称为“一转脉冲”，见图3中的C0脉冲。图4给出了编码器正反转时A、B信号的波形及其时序关系，当编码器正转时A信号的 相位超前B信号90，如图4（a）所示；反转时则B信号相位超前A信号90，如图4（b）所示
6、。 A和B输出的脉冲个数与被测角位移变化量成线性关系，因此，通过对脉冲个数计数就能计 算出相应的角位移。根据A和B之间的这种关系正确地解调出被测机械的旋转方向和旋转角 位移/速率，就是所谓的脉冲辨向和计数。脉冲的辨向和计数既可用软件实现也可用硬件实现。图4光电编码器的正转和反转波形2绝对式编码器绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。 编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。 图5所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个 码道上印制黑白等间隔图案，
7、形成一套编码。黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0” 和T”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高 位，外侧是低位，在360范围内可编数码数为24=16个。工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电 管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经 放大整形后，成为相应数码电信号。但由于制造和安装精度的影响，当码盘回转在两码段交 替过程中，会产生读数误差。例如，当码盘顺时针方向旋转，由位置“0111”变为T000”时， 这四位数要同时都变化，可能将数码误读成16种代码中的任意一种，如
8、读成1111、1011、 1101、0001等，产生了无法估计的很大的数值误差，这种误差称非单值性误差。为了消除非单值性误差，可采用以下的方法。2.1循环码盘（或称格雷码盘）图5四位二进制的码盘 图6四位二进制循环码盘循环码习惯上又称格雷码，它也是一种二进制编码，只有“0”和“1”两个数。图6所示为四 位二进制循环码。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即0”变为 “1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过，只可能读成 相邻两个数中的一个数。所以，它是消除非单值性误差的一种有效方法。2.2带判位光电装置的二进制循环码盘这种码盘是在四位二进制
9、循环码盘的最外圈再增加一圈信号位。图7所示就是带判位光 电装置的二进制循环码盘。该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有当信 号位处的光电元件有信号时才读数，这样就不会产生非单值性误差。图7带判位光电装置的二进制循环码盘3编码器的应用3.1角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，还可以测量轴的转速由于增量式角编码器的输出信号是脉冲形式，因此，可以通过测量脉冲频率或周期的方 法来测量转速。角编码器可代替测速发电机的模拟测速，而成为数字测速装置。M法和T法 测速原理如图8所示。图8 M法和T法测速原理在一定的时间间隔ts内(又称闸门时间，如10 s、1 s、0.1 s等)，用
10、角编码器所产生的 脉冲数来确定速度的方法称为M法测速。若角编码器每转产生N个脉冲，在闸门时间间隔ts内得到ml个脉冲，则角编码器所产 生的脉冲频率f为：例如：某角编码器的指标为2 048个脉冲/r (即N=2 048 P/r),在0.2 s时间内测得8 K 脉冲(1 K=1 024)，即 ts=0.2 s，m1=8 K=8 192 个脉冲，f=4 096/0.2 s = 20 480 Hz,则: = 60- = 60 航比r/nriin = 1200r/mni角编码器轴的转速为：M法测速主要应用于要求转速较快，否则计数值较少，测量准确度较低。3.2工位编码由于绝对式编码器每一转角位置均有一个固
11、定的编码输出，若编码器与转盘同轴相连， 则转盘上每一工位安装的被加工工件均可有一个编码相对应，转盘工位编码原理图如图9所 示。当转盘上某一工位转到加工点时，该工位对应的编码由编码器输出给控制系统。图9转盘工位编码原理图例如要使处于工位4上的工件转到加工点等待钻孔加工，计算机就控制电动机通过带轮 带动转盘逆时针旋转。与此同时，绝对式编码器（假设为4码道）输出的编码不断变化。设 工位1的绝对二进制码为0000，当输出从工位3的0100，变为0110时，表示转盘已将工位 4转到加工点，电动机停转。3.3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，其转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连。将重力测量
12、仪中补偿 旋钮的角位移量转化为某种电信号量进行测量。3.4应用实例以EPC-755A光电编码器的应用为例。该光电编码器在角度测量、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，在研制汽车驾驶模拟器时，对方向盘旋转角度的测量选用EPC-755A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10所示为EPC-755A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
13、成，计数电路用3片74LS193组成。irr-LDut-b0U7-A逆时针龌转图10光电编码器鉴相计数电路当光电编码器顺时针旋转时，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，（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，（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
14、形W4），送至双向计数器 74LS193的减脉冲输入端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2 0482 948，当方向盘逆时针旋转 时，计数电路的输出范围为2 0481 148；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输出可能不是2 048,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2 048, 可对计数电路进行复位，并重新设置初值。
