光學(xué)編碼器基礎(chǔ)

光電編碼器基礎(chǔ)1.1概述光電編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測(cè)裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用可靠、易于維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。近10幾年來(lái)，發(fā)展為一種成熟的多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。光電編碼器可以定義為：一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，將輸至軸上的機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，它主要用于速度或位置（角度）的檢測(cè)。典型的光電編碼器由碼盤(pán)（Disk）、檢測(cè)光柵（Mask）、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路）、機(jī)械部件等組成。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)光電編碼器產(chǎn)生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對(duì)式以及復(fù)合式三大類(lèi)。按編碼器運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)分，可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。由于直線式運(yùn)動(dòng)可以借助機(jī)械連接轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)，反之亦然。因此，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)方式都有利于使用直線式光電編碼器的場(chǎng)合才予使用。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實(shí)現(xiàn)小型化，傳感長(zhǎng)度較長(zhǎng)，具有較長(zhǎng)的環(huán)境適用能力，因而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，在本書(shū)中主要針對(duì)旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，如不特別說(shuō)明，所提到的光電編碼器則指旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。1.2增量式光電編碼器1.2.1原理及其結(jié)構(gòu)增量式光電編碼器的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)就對(duì)應(yīng)于一個(gè)增量位移，但是不能通過(guò)輸出脈沖區(qū)別出在哪個(gè)位置上的增量。它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號(hào)，其作用是提供一種對(duì)連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法，它是相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置增量，不能夠直接檢測(cè)出軸的絕對(duì)位置信息。一般來(lái)說(shuō)，增量式光電編碼器輸出A、B兩相互差 電度角的脈沖信號(hào)（即所謂的兩組正交輸出信號(hào)），從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。同時(shí)還有用作參考零位的Z相標(biāo)志（指示）脈沖信號(hào)，碼盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)。標(biāo)志脈沖通常用來(lái)指示機(jī)械位置或?qū)Ψe累量清零。增量式光電編碼器主要由光源、碼盤(pán)、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成，如圖1-1所示。碼盤(pán)上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期；檢測(cè)光柵上刻有A、B兩組與碼盤(pán)相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過(guò)或阻擋光源和光電檢測(cè)器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤(pán)上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距，使得光電檢測(cè)器件輸出的信號(hào)在相位上相差 電度角。當(dāng)碼盤(pán)隨著被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)光柵不動(dòng)，光線透過(guò)碼盤(pán)和檢測(cè)光柵上的透過(guò)縫隙照射到光電檢測(cè)器件上，光電檢測(cè)器件就輸出兩組相位相差 電度角的近似于正弦波的電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)處理，可以得到被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。增量式光電編碼器輸出信號(hào)波形如圖1-2所示。增量式光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)是：原理構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)；機(jī)械平均壽命長(zhǎng)，可達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)以上；分辨率高；抗干擾能力較強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)，可靠性較高。其缺點(diǎn)是它無(wú)法直接讀出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的絕對(duì)位置信息。圖1-1增量式光電編碼器的組成圖1-2增量式光電編碼器的輸出信號(hào)波形1.2.2基本技術(shù)規(guī)格在增量式光電編碼器的使用過(guò)程中，對(duì)于其技術(shù)規(guī)格通常會(huì)提出不同的要求，其中最關(guān)鍵的就是它的分辨率、精度、輸出信號(hào)的穩(wěn)定性、響應(yīng)頻率、信號(hào)輸出形式。（1）分辨率光電編碼器的分辨率是以編碼器軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的輸出信號(hào)基本周期數(shù)來(lái)表示的，即脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（PPR）。碼盤(pán)上的透光縫隙的數(shù)目就等于編碼器的分辨率，碼盤(pán)上刻的縫隙越多，編碼器的分辨率就越高。在工業(yè)電氣傳動(dòng)中，根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象，可選擇分辨率通常在5006000PPR的增量式光電編碼器，最高可以達(dá)到幾萬(wàn)PPR。交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中通常選用分辨率為2500PPR的編碼器。此外對(duì)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)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)一步提高分辨率。（2）精度增量式光電編碼器的精度與分辨率完全無(wú)關(guān)，這是兩個(gè)不同的概念。精度是一種度量在所選定的分辨率范圍內(nèi)，確定任一脈沖相對(duì)另一脈沖位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒來(lái)表示。編碼器的精度與碼盤(pán)透光縫隙的加工質(zhì)量、碼盤(pán)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)情況的制造精度因素有關(guān)，也與安裝技術(shù)有關(guān)。（3）輸出信號(hào)的穩(wěn)定性編碼器輸出信號(hào)的穩(wěn)定性是指在實(shí)際運(yùn)行條件下，保持規(guī)定精度的能力。影響編碼器輸出信號(hào)穩(wěn)定性的主要因素是溫度對(duì)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能保持規(guī)定的輸出特性，在設(shè)計(jì)和使用中都要給予充分考慮。（4）響應(yīng)頻率編碼器輸出的響應(yīng)頻率取決于光電檢測(cè)器件、電子處理線路的響應(yīng)速度。當(dāng)編碼器高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果其分辨率很高，那么編碼器輸出的信號(hào)頻率將會(huì)很高。如果光電檢測(cè)器件和電子線路元器件的工作速度與之不能相適應(yīng)，就有可能使輸出波形嚴(yán)重畸變，甚至產(chǎn)生丟失脈沖的現(xiàn)象。這樣輸出信號(hào)就不能準(zhǔn)確反映軸的位置信息。所以，每一種編碼器在其分辨率一定的情況下，它的最高轉(zhuǎn)速也是一定的，即它的響應(yīng)頻率是受限制的。編碼器的最大響應(yīng)頻率、分辨率和最高轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如公式（1-1）所示。(1-1) 其中， 為最大響應(yīng)頻率、 為最高轉(zhuǎn)速、N為分辨率。（5）信號(hào)輸出形式在大多數(shù)情況下，直接從編碼器的光電檢測(cè)器件獲取的信號(hào)電平較低，波形也不規(guī)則，還不能適應(yīng)于控制、信號(hào)處理和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?。所以，在編碼器內(nèi)還必須將此信號(hào)放大、整形。經(jīng)過(guò)處理的輸出信號(hào)一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波輸出信號(hào)容易進(jìn)行數(shù)字處理，所以這種輸出信號(hào)在定位控制中得到廣泛的應(yīng)用。采用正弦波輸出信號(hào)時(shí)基本消除了定位停止時(shí)的振蕩現(xiàn)象，并且容易通過(guò)電子內(nèi)插方法，以較低的成本得到較高的分辨率。增量式光電編碼器的信號(hào)輸出形式有：集電極開(kāi)路輸出（Open Collector）、電壓輸出（Voltage Output）、線驅(qū)動(dòng)輸出（Line Driver）、互補(bǔ)型輸出（Complemental Output）和推挽式輸出（Totem Pole）。集電極開(kāi)路輸出這種輸出方式通過(guò)使用編碼器輸出側(cè)的NPN晶體管，將晶體管的發(fā)射極引出端子連接至0V，斷開(kāi)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)接受裝置的電壓不一致的情況下，建議使用這種類(lèi)型的輸出電路。輸出電路如圖1-3所示。主要應(yīng)用領(lǐng)域有電梯、紡織機(jī)械、注油機(jī)、自動(dòng)化設(shè)備、切割機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械和針織機(jī)械等。圖1-3集電極開(kāi)路輸出電路電壓輸出這種輸出方式通過(guò)使用編碼器輸出側(cè)的NPN晶體管，將晶體管的發(fā)射極引出端子連接至0V，集電極端子與+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)接受裝置的電壓一致的情況下，建議使用這種類(lèi)型的輸出電路。輸出電路如圖1-4所示。主要應(yīng)用領(lǐng)域有電梯、紡織機(jī)械、注油機(jī)、自動(dòng)化設(shè)備、切割機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械和針織機(jī)械等。圖1-4電壓輸出電路線驅(qū)動(dòng)輸出這種輸出方式將線驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用IC芯片（26LS31）用于編碼器輸出電路，由于它具有高速響應(yīng)和良好的抗噪聲性能，使得線驅(qū)動(dòng)輸出適宜長(zhǎng)距離傳輸。輸出電路如圖1-5所示。主要應(yīng)用領(lǐng)域有伺服電機(jī)、機(jī)器人、數(shù)控加工機(jī)械等。圖1-5線驅(qū)動(dòng)輸出電路互補(bǔ)型輸出這種輸出方式由上下兩個(gè)分別為PNP型和NPN型的三極管組成，當(dāng)其中一個(gè)三極管導(dǎo)通時(shí)，另外一個(gè)三極管則關(guān)斷。這種輸出形式具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此在低阻抗情況下它也可以提供大范圍的電源。由于輸入、輸出信號(hào)相位相同且頻率范圍寬，因此它適合長(zhǎng)距離傳輸。輸出電路如圖1-6所示。主要應(yīng)用于電梯領(lǐng)域或?qū)Ｓ妙I(lǐng)域。圖1-6互補(bǔ)型輸出電路推挽式輸出這種輸出方式由上下兩個(gè)NPN型的三極管組成，當(dāng)其中一個(gè)三極管導(dǎo)通時(shí)，另外一個(gè)三極管則關(guān)斷。電流通過(guò)輸出側(cè)的兩個(gè)晶體管向兩個(gè)方向流入，并始終輸出電流。因此它阻抗低，而且不太受噪聲和變形波的影響。輸出電路如圖1-7所示。主要應(yīng)用領(lǐng)域有電梯、紡織機(jī)械、注油機(jī)、自動(dòng)化設(shè)備、切割機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械和針織機(jī)械等。圖1-7推挽式輸出電路最高響應(yīng)頻率：就是編碼器電氣上最大能響應(yīng)的頻率數(shù)，如果在高于這個(gè)參數(shù)的頻率下使用，則編碼器內(nèi)部電路會(huì)無(wú)法響應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致編碼器漏脈沖的現(xiàn)象發(fā)生，最高響應(yīng)頻率單位為KHz。允許最高轉(zhuǎn)速：就是指編碼器的軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，所能承受的最高轉(zhuǎn)速，高于這個(gè)參數(shù)，則編碼器的軸可能會(huì)損壞。允許最高轉(zhuǎn)速單位為r/min。 注意：實(shí)際使用時(shí)，這兩項(xiàng)參數(shù)都需考慮，必須都小于這兩相參數(shù)規(guī)定的值，才能正常使用。一信號(hào)輸出的匹配：增量編碼器的連接，首先最重要的是清楚編碼器的信號(hào)輸出形式與接收設(shè)備的匹配問(wèn)題。選編碼器或選接收設(shè)備一定要兩者信號(hào)形式的匹配。增量編碼器的信號(hào)輸出從波形上看，分正余弦輸出（sin/cos）與方波輸出兩種。（圖）1正余弦輸出（sin/cos)的信號(hào)是模擬量變化的信號(hào)周期，又分電壓輸出1Vpp和電流輸出11uApp，這兩種輸出一般PLC都沒(méi)有接口，大部分是連接專(zhuān)用的運(yùn)動(dòng)控制卡，其內(nèi)部可做細(xì)分而獲得更高的分辨率和動(dòng)態(tài)特性，也有連接專(zhuān)用的細(xì)分盒再細(xì)分后輸出方波的，選型時(shí)搞清楚是電壓輸出還是電流輸出（現(xiàn)在大部分是電壓輸出了）。2方波輸出的也有分集電極開(kāi)路輸出（NPN或PNP）、電壓輸出、差分長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)、推挽式輸出等。21集電極開(kāi)路輸出就是類(lèi)晶體管放大電路，三極管放大集電極開(kāi)路輸出，依據(jù)三極管的極性，分NPN與PNP ，后接收設(shè)備選型要匹配不可選錯(cuò)，這種輸出電路簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但選型面窄，傳遞距離根據(jù)放大管有遠(yuǎn)有近，但總體傳遞距離不遠(yuǎn)，且保護(hù)不夠，較易損壞，大部分用在單機(jī)設(shè)備上而不是工程項(xiàng)目中。這種輸出的電壓依據(jù)供電，有512V 輸出和12-24V 輸出，這也要搞清楚才能確保信號(hào)的連接。 22電壓輸出，就是在集電極開(kāi)路輸出的反相增加一個(gè)電阻，構(gòu)成一個(gè)極性是PNP或NPN ,而另一個(gè)極性是電壓，實(shí)際上就是NPN+電壓或PNP+電壓，這是針對(duì)是PNP的或NPN的形式的接收設(shè)備的一種權(quán)宜，便于兩者都可以連接，但現(xiàn)在這種電壓接口往往已經(jīng)做在了經(jīng)濟(jì)型PLC上了，如果是那樣的PLC ，還是應(yīng)該直接選集電極開(kāi)路輸出的，或電壓型的極性相當(dāng)?shù)木幋a器，因?yàn)槿绻x電壓輸出型的編碼器PNP+電壓的，而連接的PLC是NPN+電壓的，就會(huì)有漏電流而產(chǎn)生錯(cuò)誤。23差分長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)（line drive）,（有的歐洲的編碼器用TTL5V來(lái)表示，是相對(duì)于后面介紹的HTL的），這是一種差分放大電路，大部分是5V，提供A+、B+、Z+及其180度反相的A-、B-、Z-，讀取時(shí)，以A+與A-的差分值讀取，對(duì)于共摸干擾有抑制作用，傳遞距離較遠(yuǎn)，由于抗干擾能力較強(qiáng)，在運(yùn)動(dòng)控制（數(shù)控機(jī)床）中用得較多