光电编码器原理及应用电路.pdf

光电编码器原理及应用电路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。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。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：z可以直接读出角度坐标的绝对值z没有累积误差z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位、位等多种。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wwwplcworldcn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。光电编码器的应用电路EPC－A光电编码器的应用EPC－A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－A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个D触发器和个与非门组成计数电路用片LS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°D触发器输出Q(波形W)为高电平Q(波形W)为低电平上面与非门打开计数脉冲通过(波形W)送至双向计数器LS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W)。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°D触发器输出Q(波形W)为低电平Q(波形W)为高电平上面与非门关闭其输wwwplcworldcn出为高电平(波形W)此时下面与非门打开计数脉冲通过(波形W)送至双向计数器LS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个脉冲圈的编码器其最大输出脉冲数为个实际使用的计数电路用片LS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H即(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～当方向盘逆时针旋转时计数电路的输出范围为～计数电路的数据输出D～D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可对计数电路进行复位并重新设置初值。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wwwplcworldcn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°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AB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（a）可见当码盘正转时A道脉冲波形比B道超前π而反转时A道脉冲比B道滞后π。图（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πN可计数脉冲为N倍光栅数现在N=。图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LS的第、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wwwplcworldcn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的编码器可产生倍频的脉冲数是个其分辨率为°。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(是译码器)。wwwplcworldcn