完整word版,光電編碼器的工作原理剖析

1、1. 光電編碼器的工作原理光電編碼器，是一種通過光電轉(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。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光1所示；此外，為電碼盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管 等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖 通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差 900的兩路脈沖信號。先加透燈囲盤遜«先葩r雨佯里禰葡曽JU11圖1光電編咼器原理示S圖根據(jù)檢測原理，編

2、碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法 及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。1.1增量式編碼器增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差900,從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而 Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用 于基準(zhǔn)點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時以上， 抗 干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位 置信息。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若干同心碼 道,每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)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

3、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 對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編

4、碼的設(shè)計可 采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點是：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；123電源切除后位置信息不會丟失。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)，目刖有10位、14位等多種。1.3混合式絕對值編碼器混合式絕對值編碼器，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；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。光電編碼器是種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電 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(jī)床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機(jī)器人、雷達(dá)

5、、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 EPC 755A光電編碼器的應(yīng)用圖2給出了光電編碼鑒相電路用1個D觸發(fā)器和2個與非門組成,EPC- 755A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(qiáng)，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EPC-755A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)。器

6、實際使用的鑒相與雙向計數(shù)電路， 計數(shù)電路用3片74LS193組成。O'UT-LOUT-?CUT-AeP映吋針解74LSI93DODED3FiQ.Fl P2 鬥 CU CD CL 砸JL4TCU TCDCO El 孵FO FlP2P3 CUCD CLMRDOBlDED3謹(jǐn)時襯iiWW£¥3W4OUT-扎OUT-EIflTCVTCO 1憶Z3曲CLZLD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，上面與非門打開，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

7、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，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, 下面與非門打開，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

8、 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D0D11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， 若方向盤處于 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

9、.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(bǔ)償旋鈕軸相連。 重力測量 儀中補(bǔ)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。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)

10、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3（ a）可見，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時，A道脈沖波形比B道超前n /2 , 而反轉(zhuǎn)時,A道脈沖比B道滯后n /2。圖3 （ b）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，若編碼器有 N個 （碼道）輸出信號，其相位差為 n / N，可計數(shù)脈沖為2N倍光柵數(shù)，現(xiàn)在N=2 圖 3 電路的

11、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）。壘L_ru逆方向匕一：一正方嵐urxn-TLTTj正向脈神逆向鳩中iinnnAil道3Bilil T4LS14T11214Cb）圖3増匿光電編碼器基本破形和電路通道輕 TTTJT_rTJT_rm_r正同豚沖:ta)Vtc£42Ik13Aifi道3bISjF-1&34I

12、S17E2023in£qMdZl1.7.7.9正向脈沖整曜電躋83Cb10kCZJrSOkH; W200pF十54101113 1912173EZ13Ik3.4 5. IG團(tuán)4四倍計皺方式的渡寵和電路圖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)，若兩者相同，則表示時鐘間隔中無 變化；否則，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

13、、低間往復(fù)變化時，將交替產(chǎn)生正向和反向脈沖，這在對兩個計數(shù)器取代數(shù)和時就可消除它們的影響（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點）。由此可見，時鐘發(fā)生器的頻率應(yīng)大于振動頻 率的可能 最大值。由圖4還可看出，在原一個脈沖信號的周期內(nèi)，得到了四個 計數(shù)脈沖。例如，原每圈脈沖數(shù)為1000的編碼器可產(chǎn)生4倍頻的脈沖數(shù)是4000 個，其分辨率為0.09。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4-16譯碼器）。3. 應(yīng)用中問題分析及改進(jìn)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)

14、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(jī)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(jī)的外殼上，光電編碼器的 軸通過較硬的彈簧片和電動機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接， 因電動機(jī)所帶負(fù)載是沖擊性負(fù)載， 軋機(jī)過鋼時會引起電動機(jī)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

15、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(jī)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20100米,傳輸電纜雖然一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)

16、， 極易受到各種電磁干擾的影響，因此引起波 形失真，從而使反饋到調(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改進(jìn)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(jī)外殼上，而是 在電動機(jī)的基礎(chǔ)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(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 動機(jī)沖擊負(fù)載對光電編碼器的機(jī)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(qiáng)的防護(hù)能

17、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基本 相等，兩線對屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。323利用PLC軟件監(jiān)控或干涉。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)。如圖圖6送引過程利光電信號關(guān)至5。 送引錠過程啟動前，光電信號1為“ 1”。0”；當(dāng)紅外光透過引錠桿中部 2個小圓孔 “ 1”?！?0”，輥道停下，引錠桿暫停上送，扇形 ，引錠桿繼續(xù)上送。 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“ 時，光電裝置發(fā)出信號2和3,均為 送引錠過程在B階段，光電信號為 10段壓下，啟動拉矯機(jī)和“同步 T 送引錠過程在C階段，引錠桿上送，并不再擋住紅外光，光電信號4為“ T, 啟動“同步2”，停下“同步 T,引錠桿繼續(xù)上送。至此光電裝置工作過程結(jié) 束。根據(jù)光檢測電裝置的工作過程，只要現(xiàn)場測定送引錠過程中各個光電信號發(fā)生的 時間，結(jié)合送引錠過程與光電信號的關(guān)系， 利用PLC應(yīng)用程序中的相關(guān)數(shù)據(jù)，編 制符合要求的PLC程序，將PLC程序輸出信號輸入至PLC的輸入模塊，替代原光 電信號的輸入信號。其程序框圖如圖 6所示。4.結(jié)語光電檢測裝置本身是由電子元器件構(gòu)