光电编码器原理讲解.docx

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光电编码器原理讲解

光电编码器原理及应用电路

 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；

   1.2.2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

   2.1EPC－755A光电编码器的应用

   EPC－755A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2048～2948，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为2048～1148；计数电路的数据输出D0～D11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，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）。

联系我们

光电编码器的组成:

·光电编码器由光学、机械、光电转换、电气四部分组成。

光电编码器的特点：

   ·它具有体积小、重量轻、品种多、功能全、高频响、分辨能力高、承载能力强、力矩小、耗能低、力矩小；性能稳定、可靠、使用寿命长等特点。

编码器的分类型式：

·按型式：

分为增量式（ZKT、ZKD）、绝对式（JXW）、分度式（FZX）

·按结构性能：

分为空心轴型（ZKT、ZKK）、实心轴型（LEC、FZX）

·按用途：

分为电机用（ZKD）、机床用（ZXF）、电梯用（ZKT）

增量式编码器：

·增量式编码器旋转时，有相应的脉冲输出，其旋转方向的判别和脉冲数量的增减需借助后部的判相电路和计数器来实现。

·其计数点可任意设定，并可实现多圈的无限累加和测量。

还可以把每转发出一个脉冲的Z信号，做为参考机械零位。

·当脉冲数已固定，而需要提高分辨率时，可利用90°相位差A、B两路信号对原脉冲进行倍频。

·订购增量式编码器，请详细注明所选的型号、每转输出脉冲数、电源电压、出线方式、信号输出方式，并注意所选型号的机械安装尺寸是否能满足您的要求。

·每转输出脉冲数的多少，应根据下列公式选择。

                                               360°

              每转输出脉冲数（P/r）=—————

                                            设计分辨率

·在选择信号输出方式时，请注意与后部电路的匹配。

如果选用长线驱动器输出方式时，请选用匹配的接收器，以便后部电路接受。

绝对式编码器：

·绝对式编码器旋转时，有与位置一一对应的代码（二进制、BCD码等）输出。

从代码大小的变更，即可判别正反方向和位移所处的位置，而无需判相电路。

·觉得式编码器有一个绝对零位代码，当停电或关机后，在开机重新测量时，仍可准确的读出停电或关机位置的代码，并准确的找到零位代码。

·订购绝对式编码器时，除了注明型号外，还要注明性能序号和分割数（或位数）。

·分割数（或位数）的选择。

可参照下列公式：

                               360°

                分割数=——————                

                            设计分辨率

·所选的绝对式编码器的输出码制和输出方式要与用户后部处理电路相对应。

·一般情况下，绝对式编码器的测量范围为0°～360°，但特殊的型号也可实现多圈测量。

编码器型号标注含义：

□    □□—□□—□BM□/□（□P）－□□□/□□

1 2  3 4 5  6 78 9 101112 13 1415 1617

   1：

型式分类，具体分类见下表。

分类号分类名称分类号分类名称

Z增量式J绝对式

H增量式+绝对式F分度式

C磁式N工位式（带选通信号）

G激光式L60进制

X光纤式S10进制

   2：

结构性能分类，具体分类见下表。

分类号分类名称分类号分类名称

K空心轴型W无轴型

Q球形轴型D大型Φ＞150

Z中型66～150X小型32～66

V微型Φ＜32M密封型

L牢固型J经济型

F防爆型P高响应频率型

S手动型N模拟量型

B薄型G高转速型

   3：

其他性能分类，具体分类见下表。

分类号分类名称分类号分类名称

D电机用R机器人用

J机床用X纺织、绣花机械用

Y医用T电梯用

L流量计用C材料试验机用

ELECMLMA

BLBJFLF

ALMA-FGMG

S印刷机械用K冶金矿山机械用

H石化机械用W军工武器用

Z办公机械自动化仪表用Q其他

  4：

顺序号。

  5：

顺序号补充。

  6：

A、B路信号输出脉冲数的1/10。

  7：

90°相位差二信号。

  8：

零位信号。

  9：

零位信号的宽度。

其中默认时表示零位信号的宽度为1个周期，如对零位宽度有特殊要求，需要在此处标明。

  10：

C路信号每转输出脉冲数（如有需要）。

C路信号与Z路信号不可共存。

  11：

测AC马达磁极位置的U、V、W信号的每转周期数。

  12：

测AC马达磁极位置的U、V、W信号。

  13：

信号线的输出方式。

具体分类见下表：

分类号分类含义分类号分类含义

G电缆侧出E电缆后出

C插座侧出R插座后出（居中）

Z插座后出（偏置）    

  14：

A、B、Z路电源电压。

5V～30V之间可任意选择。

  15：

A、B、Z路输出型式。

具体分类见下表：

分类号分类含义分类号分类含义

E电压输出C集电极开路输出（NPN）

F互补输出Cp集电极开路输出（PNP）

L驱动器输出（26LS31、26C31、26ET31）H驱动器输出（MC3487）

M驱动器输出（MM88C30）D驱动器输出（SN75113）

P驱动器输出（SN75183）S驱动器输出（SN55113）

T驱动器输出（TC4469）U驱动器输出（UC3709）

A驱动器输出（ET7272B）N双互补输出

备注1：

M型输出适用于12V和15V电压；A型输出适用于5V～30V之间任意电压；S型输出适用于军品级产品（-55°C～+125°C）。

备注2：

编码器的基本输出电路。

E 电压输出VoltageF 互补输出ComplementaryN双互补输出Doublecomplementary

5V8~30V5V8~30V8~30V

C 开路输出Opencollector驱动器输出Linedriver

备注3：

长线驱动器与线路接收器匹配表。

代号长线驱动器线路接收器

D7511375115

L26LS3126LS32

P7518375182

M88C3088C20

H34873486

S5511355115

  16：

C路或其他路输出电压。

  17：

C路或其他路输出型式。

其他性能参数：

·最高转速：

6000转/分钟，特殊可达到12000转/分钟。

·平均使用寿命：

10000小时。

·增量式编码器的每转输出脉冲数：

常规10～36000P/r，特殊可达到288000P/r。

·绝对式编码器的单圈位数：

常规14位以下，特殊可达到17位。

·绝对式编码器的多圈位数：

可达到18位。

·编码器的防护等级：

选择编码器防护等级时，可参照以下二表。

防微尘颗粒保护（第一位数字），表一。

0   无防护

1   防尘颗粒>=50mm

2   防尘颗粒>=12.5mm

3   防尘颗粒>=2.5mm

4   防尘颗粒>=1.0mm

5   防尘保护

6   防尘认证

防水保护（第二位数字），表2.

0   无防护

1   对垂直滴水的防护

2   对偏垂直方向15°的滴水的防护

3   对偏垂直方向60°的滴水的防护

4   对全方向喷溅水的防护，防止水的直接浸入

5   对全方向低压喷射水的防护，防止水的直接浸入

6   对高压喷射水的防护，例如用在船甲板上，防止水的直接浸入

7   对浸入水15cm到1m之间的防护

8   对承压时长期水浸入的防护

安装说明

◇机械方面

实

心

轴

类1．编码器轴与用户端输出轴之间采用弹性软连接，以避免因用户轴的串动、跳动而     造成编码器轴系和码盘的损坏。

  2．安装时请注意允许的轴负载。

  3．应保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度＜0.20mm，与轴线的偏角＜1.5°。

  4．安装时严禁敲击和摔打碰撞，以免损坏轴系和码盘。

空

心

轴

类1、要避免与编码器刚性连接，应采用板弹簧。

  2、安装时编码器应轻轻推入被套轴，严禁用锤敲击，以免损坏轴系和码盘。

  3、长期使用时，请检查板弹簧相对编码器是否松动；因定编码器的螺钉是否松动。

◇电气方面

  1．接地线应尽量粗，一般应大于φ3。

  2．编码器的输出线彼此不要搭接，以免损坏输出电路。

  3．编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电流上，以免损坏输出电路。

  4．与编码器相连的电机等设备，应接地良好，不要有静电。

  5．配线时应采用屏蔽电缆。

  6．开机前，应仔细检查，产品说明书与编码器型号是否相符，接线是否正确。

  7．长距离传输时，应考虑信号衰减因素，选用输出阻抗低，抗干扰能力强的输出方     式。

  8．避免在强电磁波环境中使用。

◇环境方面

  1．编码器是精密仪器，使用时要注意周围有无振源及干扰源。

  2．不是防漏结构的编码器不要溅上水、油等，必要时要加上防护罩。

  3．请注意环境温度、湿度是否在仪器使用要求范围之内。