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光電編碼器原理
光電編碼器
- 摘要：本文詳細(xì)介紹了光電編碼器的原理、分類及應(yīng)用電路 ，可供參考。
1.光電編碼器原理
光電編碼器，是一種議決光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)器多少位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是如今應(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構(gòu)成。光柵盤是在肯定直徑的圓板上中分地開通多少個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件構(gòu)成的檢測裝置檢測輸出多少脈沖信號(hào)，其原理表示圖如圖1所示；每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反應(yīng)當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感到式和電容式。根據(jù)其刻度要領(lǐng)及信號(hào)輸出式樣，可分為增量式、盡對式以及稠濁式三種。
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90海傭煞獎(jiǎng)愕嘏卸銑魴較潁鳽相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的長處是原理布局大略，機(jī)器勻稱壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗滋擾本領(lǐng)強(qiáng)，可靠性高，得當(dāng)于長隔斷傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的盡對位置信息。
1.2盡對式編碼器
盡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多少同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間構(gòu)成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)量是雙倍干系，碼盤上的碼道數(shù)便是它的二進(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)碼盤處于差別位置時(shí)，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(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的恣意位置都可讀出一個(gè)穩(wěn)固的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，辨別率就越高，對付一個(gè)具有N位二進(jìn)制辨別率的編碼器，其碼盤務(wù)必有N條碼道。如今國內(nèi)已有16位的盡對編碼器產(chǎn)品。
盡對式編碼器是利用天然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方法舉行光電轉(zhuǎn)換的。盡對式編碼器與增量式編碼器差別之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，盡對編碼器可有多少編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測盡對位置。編碼的計(jì)劃可采取二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是：
1.2.1可以直接讀出角度坐標(biāo)的盡對值；
1.2.2沒有累積偏差；
1.2.3電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是辨別率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的，也便是說精度取決于位數(shù)，如今有10位、14位等多種。
1.3稠濁式盡對值編碼器
稠濁式盡對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有盡對信息作用；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。
光電編碼器是一種角度（角速率）檢測裝置，它將輸進(jìn)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，勞動(dòng)可靠,接口數(shù)字化等長處。它廣泛應(yīng)用于cnc機(jī)床、反轉(zhuǎn)展轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、呆板人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測定等必要檢測角度的裝置和配置中。
2.光電編碼器的應(yīng)用電路
2.1EPC－755A光電編碼器的應(yīng)用
EPC－755A光電編碼用具備精良的利用性能，在角度丈量、位移丈量時(shí)抗滋擾本領(lǐng)很強(qiáng)，并具有穩(wěn)固可靠的輸出脈沖信號(hào)，且該脈沖信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被丈量的數(shù)字信號(hào)。因此，我們在研制汽車駕駛模仿器時(shí)，他方向回旋轉(zhuǎn)角度的丈量選用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，輸出辨別率選用360個(gè)脈沖/圈，思考到汽車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的，既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，必要對編碼器的輸出信號(hào)鑒相后才華計(jì)數(shù)。圖2給出了光電編碼器實(shí)際利用的鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路，鑒相電路用1個(gè)D觸發(fā)器和2個(gè)與非門構(gòu)成，計(jì)數(shù)電路用3片74LS193構(gòu)成。
當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(jì)數(shù)脈沖議決(波形W3)，送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的加脈沖輸進(jìn)端CU，舉行加法計(jì)數(shù)；此時(shí)，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(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形比通道B輸出波形耽誤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(shí)，下面與非門打開，計(jì)數(shù)脈沖議決(波形W4)，送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的減脈沖輸進(jìn)端CD，舉行減法計(jì)數(shù)。
汽車方向盤順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，其最大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用辨別率為360個(gè)脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖數(shù)為900個(gè)；實(shí)際利用的計(jì)數(shù)電路用3片74LS193構(gòu)成，在體系上電初始化時(shí)，先對其舉行復(fù)位(CLR信號(hào))，再將其初值設(shè)為800H，即2048(LD信號(hào))；云云，當(dāng)方向盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范疇為2048～2948，當(dāng)方向盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范疇為2048～1148；計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D0～D11送至數(shù)據(jù)處理電路。
實(shí)際利用時(shí)，方向盤頻頻地舉行順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由于存在量化偏差，勞動(dòng)較長一段時(shí)間后，方向盤回中時(shí)計(jì)數(shù)電路輸出大概不是2048，而是有幾個(gè)字的過失；為辦理這一標(biāo)題，我們增長了一個(gè)方向盤回中檢測電路，體系勞動(dòng)后，數(shù)據(jù)處理電路在模仿器處于非支配狀態(tài)時(shí)，體系檢測回中檢測電路，若方向盤處于回中狀態(tài)，而計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出不是2048，可對計(jì)數(shù)電路舉行復(fù)位，并重新配置初值。
2.2光電編碼器在重力丈量儀中的應(yīng)用
采取旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，把它的轉(zhuǎn)軸與重力丈量儀中補(bǔ)償旋鈕軸相連。重力丈量儀中補(bǔ)償旋鈕的角位移量轉(zhuǎn)化為某種電信號(hào)量；旋轉(zhuǎn)式光電編碼器分兩種，盡對編碼器和增量編碼器。
增量編碼器因此脈沖式樣輸出的傳感器，其碼盤比盡對編碼器碼盤要大略得多且辨別率更高。平常只必要三條碼道，這里的碼道實(shí)際上已不具有盡對編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生存數(shù)脈沖。它的碼盤的外道和中央道有數(shù)量雷同勻稱散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(cuò)開半個(gè)區(qū)。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的輸出信號(hào)是相位差為90?的A相和B相脈沖信號(hào)以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)（它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，給計(jì)數(shù)體系提供一個(gè)初始的零位信號(hào)）。從A，B兩個(gè)輸出信號(hào)的相位干系（超前或滯后）可鑒定旋轉(zhuǎn)的方向。由圖3（a）可見，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖比B道滯后π/2。圖3（b）是一實(shí)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(shí)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(jì)數(shù)來確定碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和相對角位移量。通常，若編碼器有N個(gè)（碼道）輸出信號(hào)，其相位差為π/N，可計(jì)數(shù)脈沖為2N倍光柵數(shù)，如今N=2。圖3電路的缺點(diǎn)是偶然會(huì)產(chǎn)生誤記脈沖造成偏差，這種環(huán)境出如今當(dāng)某一道信號(hào)處于‘高’或‘低’電平狀態(tài)，而另一道信號(hào)正處于‘高’和‘低’之間的往返變化狀態(tài)，此時(shí)碼盤雖然未產(chǎn)生位移，但是會(huì)產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。比方，碼盤產(chǎn)生抖動(dòng)或手動(dòng)對準(zhǔn)位置時(shí)（下面可以看到，在重力儀丈量時(shí)就會(huì)有這種環(huán)境）。
圖4是一個(gè)既能防備誤脈沖又能進(jìn)步辨別率的四倍頻細(xì)分電路。在這里，采取了有印象作用的D型觸發(fā)器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路。由圖4可見，每一道有兩個(gè)D觸發(fā)器串接，如許，在時(shí)鐘脈沖的隔斷中，兩個(gè)Q端（如對應(yīng)B道的74LS175的第2、7引腳）保留前兩個(gè)時(shí)鐘期的輸進(jìn)狀態(tài)，若兩者雷同，則表現(xiàn)時(shí)鐘隔斷中無變化；不然，可以根據(jù)兩者干系鑒定出它的變化方向，從而產(chǎn)生‘正向’或‘反向’輸出脈沖。當(dāng)某道由于振動(dòng)在‘高’、‘低’間往復(fù)變化時(shí)，將瓜代產(chǎn)生‘正向’和‘反向’脈沖，這在對兩個(gè)計(jì)數(shù)器代替數(shù)和時(shí)就可消除它們的影響（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點(diǎn)）。由此可見，時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率應(yīng)大于振動(dòng)頻率的大概最大值。由圖4還可看出，在原一個(gè)脈沖信號(hào)的周期內(nèi)，得到了四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。比方，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(gè)，其辨別率為0.09?。實(shí)際上，如今這類傳感器產(chǎn)品都將光敏元件輸出信號(hào)的放大整形等電路與傳感檢測元件封裝在一起，以是只要加上細(xì)分與計(jì)數(shù)電路就可以構(gòu)成一個(gè)角位移丈量體系(74159是4-16譯碼器)。
根本技能規(guī)格
在增量式光電編碼器的利用進(jìn)程中，對付其技能規(guī)格通常會(huì)發(fā)起差別的要求，此中最要害的便是它的辨別率、精度、輸出信號(hào)的穩(wěn)固性、相應(yīng)頻率、信號(hào)輸出式樣。
（1）辨別率
光電編碼器的辨別率因此編碼器軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的輸出信號(hào)根本周期數(shù)來表現(xiàn)的，即脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（PPR）。碼盤上的透光弊端的數(shù)量就便是編碼器的辨別率，碼盤上刻的弊端越多，編碼器的辨別率就越高。在財(cái)產(chǎn)電氣傳動(dòng)中，根據(jù)差別的應(yīng)用東西，可選擇辨別率通常在500~6000PPR的增量式光電編碼器，最高可以到達(dá)幾萬PPR。交換伺服電機(jī)控制體系中通常選用辨別率為2500PPR的編碼器。別的對光電轉(zhuǎn)換信號(hào)舉行邏輯處理，可以得到2倍頻或4倍頻的脈沖信號(hào)，從而進(jìn)一步進(jìn)步辨別率。
（2）精度
增量式光電編碼器的精度與辨別率完全無關(guān)，這是兩個(gè)差別的見解。精度是一種度量在所選定的辨別率范疇內(nèi)，確定任一脈沖相對另一脈沖位置的本領(lǐng)。精度通常用角度、角分或角秒來表現(xiàn)。編碼器的精度與碼盤透光弊端的加工質(zhì)量、碼盤的機(jī)器旋轉(zhuǎn)環(huán)境的制造精度因素相關(guān)，也與安置技能相關(guān)。
（3）輸出信號(hào)的穩(wěn)固性
編碼器輸出信號(hào)的穩(wěn)固性是指在實(shí)際運(yùn)行條件下，保留法則精度的本領(lǐng)。影響編碼器輸出信號(hào)穩(wěn)固性的重要因素是溫度對電子器件造成的漂移、外界加于編碼器的變形力以及光源特性的變化。由于受到溫度和電源變化的影響，編碼器的電子電路不克保留法則的輸出特性，在計(jì)劃和利用中都要賜與富裕思考。
（4）相應(yīng)頻率
編碼器輸出的相應(yīng)頻率取決于光電檢測器件、電子處理線路的相應(yīng)速率。當(dāng)編碼器高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，倘若其辨別率很高，那么編碼器輸出的信號(hào)頻率將會(huì)很高。倘若光電檢測器件和電子線路元器件的勞動(dòng)速率與之不克相合適，就有大概使輸出波形緊張畸變，乃至產(chǎn)生丟失脈沖的表象。如許輸出信號(hào)就不克精確反應(yīng)軸的位置信息。以是，每一種編碼器在其辨別率肯定的環(huán)境下，它的最高轉(zhuǎn)速也是肯定的，即它的相應(yīng)頻率是受限定的。編碼器的最大相應(yīng)頻率、辨別率和最高轉(zhuǎn)速之間的干系請參考其他資料。
（5）信號(hào)輸出式樣
在大多數(shù)環(huán)境下，直接從編碼器的光電檢測器件獲取的信號(hào)電平較低，波形也不法則，還不克合適于控制、信號(hào)處理和遠(yuǎn)離斷傳輸?shù)囊蟆Ｒ允牵诰幋a器內(nèi)還務(wù)必將此信號(hào)放大、整形。議決處理的輸出信號(hào)平常雷同于正弦波或矩形波。由于矩形波輸出信號(hào)容易舉行數(shù)字處理，以是這種輸出信號(hào)在定位控制中得到廣泛的應(yīng)用。采取正弦波輸出信號(hào)時(shí)根本消除了定位中斷時(shí)的振蕩表象，并且容易議決電子內(nèi)插要領(lǐng)，以較低的資本得到較高的辨別率。
增量式光電編碼器的信號(hào)輸出式樣有：集電極開路輸出（OpenCollector）、電壓輸出（VoltageOutput）、線驅(qū)動(dòng)輸出（LineDriver）、互補(bǔ)型輸出（ComplementalOutput）和推挽式輸出（TotemPole）。
集電極開路輸出這種輸出方法議決利用編碼器輸出側(cè)的NPN晶體管，將晶體管的放射極引出端子相連至0V，斷開集電極與+Vcc的端子并把集電極作為輸出端。在編碼器供電電壓和信號(hào)接納裝置的電壓不一概的環(huán)境下，發(fā)起利用這種類別的輸出電路。輸出電路如圖1-3所示。重要應(yīng)用范疇有電梯、紡織機(jī)器、注油機(jī)、主動(dòng)化配置、切割機(jī)器、印刷機(jī)器、包裝機(jī)器和針織機(jī)器等。
電壓輸出這種輸出方法議決利用編碼器輸出側(cè)的NPN晶體管，將晶體管的放射極引出端子相連至0V，集電極度子與+Vcc和負(fù)載電阻相連，并作為輸出端。在編碼器供電電壓和信號(hào)接納裝置的電壓一概的環(huán)境下，發(fā)起利用這種類別的輸出電路。重要應(yīng)用范疇有電梯、紡織機(jī)器、注油機(jī)、主動(dòng)化配置、切割機(jī)器、印刷機(jī)器、包裝機(jī)器和針織機(jī)器等。
線驅(qū)動(dòng)輸出這種輸出方法將線驅(qū)動(dòng)專用IC芯片（26LS31）用于編碼器輸出電路，由于它具有高速相應(yīng)和精良的抗噪聲性能，使得線驅(qū)動(dòng)輸出適宜長隔斷傳輸。重要應(yīng)用范疇有伺服電機(jī)、呆板人、cnc加工機(jī)器等。
互補(bǔ)型輸出這種輸出方法由上下兩個(gè)分別為PNP型和NPN型的三極管構(gòu)成，當(dāng)此中一個(gè)三極管導(dǎo)通時(shí)，別的一個(gè)三極管則關(guān)斷。這種輸出式樣具有高輸進(jìn)阻抗和低輸出阻抗，因此在低阻抗環(huán)境下它也可以提供大范疇的電源。由于輸進(jìn)、輸出信號(hào)相位雷同且頻率范疇寬，因此它得當(dāng)長隔斷傳輸。重要應(yīng)用于電梯范疇或?qū)Ｓ梅懂牎?/span>
推挽式輸出這種輸出方法由上下兩個(gè)NPN型的三極管構(gòu)成，當(dāng)此中一個(gè)三極管導(dǎo)通時(shí)，別的一個(gè)三極管則關(guān)斷。電流暢過輸出側(cè)的兩個(gè)晶體管向兩個(gè)方向流進(jìn)，并始終輸出電流。因此它阻抗低，并且不太受噪聲和變形波的影響。重要應(yīng)用范疇有電梯、紡織機(jī)器、注油機(jī)、主動(dòng)化配置、切割機(jī)器、印刷機(jī)器、包裝機(jī)器和針織機(jī)器等。
