光电编码器的原理及应用电路

1.光电编码器原理

　　光电编码器，是一种议决光电转换将输出轴上的机器多少位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是如今应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置构成。光栅盘是在肯定直径的圆板上中分地开通多少个长方形孔。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构成的检测装置检测输出多少脉冲信号，其原理表示图如图1所示；每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反应当前电动机的转速。

　　根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感到式和电容式。根据其刻度要领及信号输出式样，可分为增量式、尽对式以及稠浊式三种。

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。它的长处是原理布局大略，机器匀称寿命可在几万小时以上，抗滋扰本领强，可靠性高，得当于长隔断传输。其缺点是无法输出轴转动的尽对位置信息。

1.2尽对式编码器

　　尽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多少同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间构成，相邻码道的扇区数量是双倍干系，码盘上的码道数便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；当码盘处于差别位置时，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，在转轴的恣意位置都可读出一个稳固的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，辨别率就越高，对付一个具有N位二进制辨别率的编码器，其码盘务必有N条码道。如今国内已有16位的尽对编码器产品。

　　尽对式编码器是利用天然二进制或循环二进制（葛莱码）方法举行光电转换的。尽对式编码器与增量式编码器差别之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，尽对编码器可有多少编码，根据读出码盘上的编码，检测尽对位置。编码的计划可采取二进制码、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尽对值；

1.2.2没有累积偏差；

1.2.3电源切除后位置信息不会丢失。但是辨别率是由二进制的位数来决定的，也便是说精度取决于位数，如今有10位、14位等多种。

1.3稠浊式尽对值编码器

　　稠浊式尽对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有尽对信息作用；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（角速率）检测装置，它将输进给轴的角度量，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，劳动可靠,接口数字化等长处。它广泛应用于cnc机床、反转展转台、伺服传动、呆板人、雷达、军事目标测定等必要检测角度的装置和配置中。

2.光电编码器的应用电路

2.1EPC－755A光电编码器的应用

　　EPC－755A光电编码用具备精良的利用性能，在角度丈量、位移丈量时抗滋扰本领很强，并具有稳固可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被丈量的数字信号。因此，我们在研制汽车驾驶模仿器时，他方向回旋转角度的丈量选用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，输出辨别率选用360个脉冲/圈，思考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，必要对编码器的输出信号鉴相后才华计数。图2给出了光电编码器实际利用的鉴相与双向计数电路，鉴相电路用1个D触发器和2个与非门构成，计数电路用3片74LS193构成。

　　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，Q(波形W2)为低电平，上面与非门打开，计数脉冲议决(波形W3)，送至双向计数器74LS193的加脉冲输进端CU，举行加法计数；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输出波形耽误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，计数脉冲议决(波形W4)，送至双向计数器74LS193的减脉冲输进端CD，举行减法计数。

　　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，选用辨别率为360个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉冲数为900个；实际利用的计数电路用3片74LS193构成，在体系上电初始化时，先对其举行复位(CLR信号)，再将其初值设为800H，即2048(LD信号)；云云，当方向盘顺时针旋转时，计数电路的输出范畴为2048～2948，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范畴为2048～1148；计数电路的数据输出D0～D11送至数据处理电路。

　　实际利用时，方向盘频频地举行顺时针和逆时针转动，由于存在量化偏差，劳动较长一段时间后，方向盘回中时计数电路输出大概不是2048，而是有几个字的过失；为办理这一标题，我们增长了一个方向盘回中检测电路，体系劳动后，数据处理电路在模仿器处于非支配状态时，体系检测回中检测电路，若方向盘处于回中状态，而计数电路的数据输出不是2048，可对计数电路举行复位，并重新配置初值。

2.2光电编码器在重力丈量仪中的应用

　　采取旋转式光电编码器，把它的转轴与重力丈量仪中补偿旋钮轴相连。重力丈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，尽对编码器和增量编码器。

　　增量编码器因此脉冲式样输出的传感器，其码盘比尽对编码器码盘要大略得多且辨别率更高。平常只必要三条码道，这里的码道实际上已不具有尽对编码器码道的意义，而是产生存数脉冲。它的码盘的外道和中央道有数量雷同匀称散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，给计数体系提供一个初始的零位信号）。从A，B两个输出信号的相位干系（超前或滞后）可鉴定旋转的方向。由图3（a）可见，当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时，A道脉冲比B道滞后π/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π/N，可计数脉冲为2N倍光栅数，如今N=2。图3电路的缺点是偶然会产生误记脉冲造成偏差，这种环境出如今当某一道信号处于‘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。比方，码盘产生抖动或手动对准位置时（下面可以看到，在重力仪丈量时就会有这种环境）。

　　图4是一个既能防备误脉冲又能进步辨别率的四倍频细分电路。在这里，采取了有印象作用的D型触发器和时钟产生电路。由图4可见，每一道有两个D触发器串接，如许，在时钟脉冲的隔断中，两个Q端（如对应B道的74LS175的第2、7引脚）保留前两个时钟期的输进状态，若两者雷同，则表现时钟隔断中无变化；不然，可以根据两者干系鉴定出它的变化方向，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，将瓜代产生‘正向’和‘反向’脉冲，这在对两个计数器代替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，时钟产生器的频率应大于振动频率的大概最大值。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。比方，原每圈脉冲数为1000的编码器可产生4倍频的脉冲数是4000个，其辨别率为0.09�。实际上，如今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，以是只要加上细分与计数电路就可以构成一个角位移丈量体系(74159是4-16译码器)。

　　根本技能规格

　　在增量式光电编码器的利用进程中，对付其技能规格通常会发起差别的要求，此中最要害的便是它的辨别率、精度、输出信号的稳固性、相应频率、信号输出式样。

（1）辨别率

　　光电编码器的辨别率因此编码器轴转动一周所产生的输出信号根本周期数来表现的，即脉冲数/转（PPR）。码盘上的透光弊端的数量就便是编码器的辨别率，码盘上刻的弊端越多，编码器的辨别率就越高。在财产电气传动中，根据差别的应用东西，可选择辨别率通常在500~6000PPR的增量式光电编码器，最高可以到达几万PPR。交换伺服电机控制体系中通常选用辨别率为2500PPR的编码器。别的对光电转换信号举行逻辑处理，可以得到2倍频或4倍频的脉冲信号，从而进一步进步辨别率。

（2）精度

　　增量式光电编码器的精度与辨别率完全无关，这是两个差别的见解。精度是一种度量在所选定的辨别率范畴内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的本领。精度通常用角度、角分或角秒来表现。编码器的精度与码盘透光弊端的加工质量、码盘的机器旋转环境的制造精度因素相关，也与安置技能相关。

（3）输出信号的稳固性

　　编码器输出信号的稳固性是指在实际运行条件下，保留法则精度的本领。影响编码器输出信号稳固性的重要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不克保留法则的输出特性，在计划和利用中都要赐与富裕思考。

（4）相应频率

　　编码器输出的相应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的相应速率。当编码器高速旋转时，倘若其辨别率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。倘若光电检测器件和电子线路元器件的劳动速率与之不克相合适，就有大概使输出波形紧张畸变，乃至产生丢失脉冲的表象。如许输出信号就不克精确反应轴的位置信息。以是，每一种编码器在其辨别率肯定的环境下，它的最高转速也是肯定的，即它的相应频率是受限定的。编码器的最大相应频率、辨别率和最高转速之间的干系请参考其他资料。

（5）信号输出式样

　　在大多数环境下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不法则，还不克合适于控制、信号处理和远离断传输的要求。以是，在编码器内还务必将此信号放大、整形。议决处理的输出信号平常雷同于正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易举行数字处理，以是这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采取正弦波输出信号时根本消除了定位中断时的振荡表象，并且容易议决电子内插要领，以较低的资本得到较高的辨别率。

　　增量式光电编码器的信号输出式样有：集电极开路输出（OpenCollector）、电压输出（VoltageOutput）、线驱动输出（LineDriver）、互补型输出（ComplementalOutput）和推挽式输出（TotemPole）。

　　集电极开路输出这种输出方法议决利用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的放射极引出端子相连至0V，断开集电极与+Vcc的端子并把集电极作为输出端。在编码器供电电压和信号接纳装置的电压不一概的环境下，发起利用这种类别的输出电路。输出电路如图1-3所示。重要应用范畴有电梯、纺织机器、注油机、主动化配置、切割机器、印刷机器、包装机器和针织机器等。

　　电压输出这种输出方法议决利用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的放射极引出端子相连至0V，集电极度子与+Vcc和负载电阻相连，并作为输出端。在编码器供电电压和信号接纳装置的电压一概的环境下，发起利用这种类别的输出电路。重要应用范畴有电梯、纺织机器、注油机、主动化配置、切割机器、印刷机器、包装机器和针织机器等。

　　线驱动输出这种输出方法将线驱动专用IC芯片（26LS31）用于编码器输出电路，由于它具有高速相应和精良的抗噪声性能，使得线驱动输出适宜长隔断传输。重要应用范畴有伺服电机、呆板人、cnc加工机器等。

　　互补型输出这种输出方法由上下两个分别为PNP型和NPN型的三极管构成，当此中一个三极管导通时，别的一个三极管则关断。这种输出式样具有高输进阻抗和低输出阻抗，因此在低阻抗环境下它也可以提供大范畴的电源。由于输进、输出信号相位雷同且频率范畴宽，因此它得当长隔断传输。重要应用于电梯范畴或专用范畴。

　　推挽式输出这种输出方法由上下两个NPN型的三极管构成，当此中一个三极管导通时，别的一个三极管则关断。电流畅过输出侧的两个晶体管向两个方向流进，并始终输出电流。因此它阻抗低，并且不太受噪声和变形波的影响。重要应用范畴有电梯、纺织机器、注油机、主动化配置、切割机器、印刷机器、包装机器和针织机器等。