光電編碼器的特性及應(yīng)用電路分析

1、光電編碼器器的特性性及應(yīng)用用摘要：文中中簡介了了光電編編碼器的的工作原原理，闡闡述了光光電編碼碼器的分分類及其其特性，列列舉了光光電編碼碼器的應(yīng)應(yīng)用電路路，分析析了光電電編碼器器應(yīng)用中中的問題題并提出出改進措措施。1.光電編編碼器的的工作原原理 光光電編碼碼器，是是一種通通過光電電轉(zhuǎn)換將將輸出軸軸上的機機械幾何何位移量量轉(zhuǎn)換成成脈沖或或數(shù)字量量的傳感感器。這這是目前前應(yīng)用最最多的傳傳感器， 光電編編碼器是是由光柵柵盤和光光電檢測測裝置組組成。光光柵盤是是在一定定直徑的的圓板上上等分地地開通若若干個長長方形孔孔。由于于光電碼碼盤與電電動機同同軸，電電動機旋旋轉(zhuǎn)時，光光柵盤與與電動機機同速旋旋轉(zhuǎn)，

2、經(jīng)經(jīng)發(fā)光二二極管等等電子元元件組成成的檢測測裝置檢檢測輸出出若干脈脈沖信號號，其原原理示意意圖如圖圖1所示示；通過過計算每每秒光電電編碼器器輸出脈脈沖的個個數(shù)就能能反映當(dāng)當(dāng)前電動動機的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。此此外，為為判斷旋旋轉(zhuǎn)方向向，碼盤盤還可提提供相位位相差990的的兩路脈脈沖信號號。 根根據(jù)檢測測原理，編編碼器可可分為光光學(xué)式、磁磁式、感感應(yīng)式和和電容式式。根據(jù)據(jù)其刻度度方法及及信號輸輸出形式式，可分分為增量量式、絕絕對式以以及混合合式三種種。 1.1增量量式編碼碼器 增增量式編編碼器是是直接利利用光電電轉(zhuǎn)換原原理輸出出三組方方波脈沖沖A、BB和Z相相；A、BB兩組脈脈沖相位位差900，從從而可方方便

3、地判判斷出旋旋轉(zhuǎn)方向向，而ZZ相為每每轉(zhuǎn)一個個脈沖，用用于基準(zhǔn)準(zhǔn)點定位位。它的的優(yōu)點是是原理構(gòu)構(gòu)造簡單單，機械械平均壽壽命可在在幾萬小小時以上上，抗干干擾能力力強，可可靠性高高，適合合于長距距離傳輸輸。其缺缺點是無無法輸出出軸轉(zhuǎn)動動的絕對對位置信信息。 1.2絕對對式編碼碼器 絕絕對編碼碼器是直直接輸出出數(shù)字量量的傳感感器，在在它的圓圓形碼盤盤上沿徑徑向有若若干同心心碼道，每每條道上上由透光光和不透透光的扇扇形區(qū)相相間組成成，相鄰鄰碼道的的扇區(qū)數(shù)數(shù)目是雙雙倍關(guān)系系，碼盤盤上的碼碼道數(shù)就就是它的的二進制制數(shù)碼的的位數(shù)，在在碼盤的的一側(cè)是是光源，另另一側(cè)對對應(yīng)每一一碼道有有一光敏敏元件；當(dāng)碼盤盤處

4、于不不同位置置時，各各光敏元元件根據(jù)據(jù)受光照照與否轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換出相相應(yīng)的電電平信號號，形成成二進制制數(shù)。這這種編碼碼器的特特點是不不要計數(shù)數(shù)器，在在轉(zhuǎn)軸的的任意位位置都可可 讀出出一個固固定的與與位置相相對應(yīng)的的數(shù)字碼碼。顯然然，碼道道越多，分分辨率就就越高，對對于一個個具有 N位二二進制分分辨率的的編碼器器，其碼碼盤必須須有N條條碼道。目目前國內(nèi)內(nèi)已有116位的的絕對編編碼器產(chǎn)產(chǎn)品。 絕絕對式編編碼器是是利用自自然二進進制或循循環(huán)二進進制（葛葛萊碼）方方式進行行光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的。絕絕對式編編碼器與與增量式式編碼器器不同之之處在于于圓盤上上透光、不不透光的的線條圖圖形，絕絕對編碼碼器可有有若干編編碼，根

5、根據(jù)讀出出碼盤上上的編碼碼，檢測測絕對位位置。編編碼的設(shè)設(shè)計可采采用二進進制碼、循循環(huán)碼、二二進制補補碼等。它它的特點點是： 1.22.1可可以直接接讀出角角度坐標(biāo)標(biāo)的絕對對值； 1.22.2沒沒有累積積誤差； 1.2.33電源切切除后位位置信息息不會丟丟失。但但是分辨辨率是由由二進制制的位數(shù)數(shù)來決定定的，也也就是說說精度取取決于位位數(shù)，目目前有110位、114位等等多種。 1.3混合合式絕對對值編碼碼器 混混合式絕絕對值編編碼器，它它輸出兩兩組信息息：一組組信息用用于檢測測磁極位位置，帶帶有絕對對信息功功能；另另一組則則完全同同增量式式編碼器器的輸出出信息。 光光電編碼碼器是一一種角度度（角

6、速速度）檢檢測裝置置，它將將輸入給給軸的角角度量，利利用光電電轉(zhuǎn)換原原理 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成相相應(yīng)的電電脈沖或或數(shù)字量量，具有有體積小小，精度度高，工工作可靠靠,接口口數(shù)字化化等優(yōu)點點。它廣廣泛應(yīng)用用于數(shù)控控機床、回回轉(zhuǎn)臺、伺伺服傳動動、機器器人、雷雷達、軍軍事目標(biāo)標(biāo)測定等等需要檢檢測角度度的裝置置和設(shè)備備中。2. 光電電編碼器器的應(yīng)用用電路22.1 EPCC7555A光光電編碼碼器的應(yīng)應(yīng)用 EEPC7555A光電電編碼器器具備良良好的使使用性能能，在角角度測量量、位移移測量時時抗干擾擾能力很很強，并并具有穩(wěn)穩(wěn)定可靠靠的輸出出脈沖信信號，且且該脈沖沖信號經(jīng)經(jīng)計數(shù)后后可得到到被測量量的數(shù)字字信號。因因此，

7、我我們在研研制汽車車駕駛模模擬器時時，對方方向盤旋旋轉(zhuǎn)角度度的測量量選用EEPC7555A光電電編碼器器作為傳傳感器，其其輸出電電路選用用集電極極開路型型，輸出出分辨率率選用3360個個脈沖/圈，考考慮到汽汽車方向向盤轉(zhuǎn)動動是雙向向的，既既可順時時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，也可可逆時針針旋轉(zhuǎn)，需需要對編編碼器的的輸出信信號鑒相相后才能能計數(shù)。圖圖2給出出了光電電編碼器器實際使使用的鑒鑒相與雙雙向計數(shù)數(shù)電路，鑒鑒相電路路用1個個D觸發(fā)發(fā)器和22個與非非門組成成，計數(shù)數(shù)電路用用3片774LSS1933組成。 當(dāng)當(dāng)光電編編碼器順順時針旋旋轉(zhuǎn)時，通通道A輸輸出波形形超前通通道B輸輸出波形形90，D觸觸發(fā)器輸輸出Q(波

8、形WW1)為為高電平平，Q(波形WW2)為為低電平平，上面面與非門門打開，計計數(shù)脈沖沖通過(波形WW3)，送送至雙向向計數(shù)器器74LLS1993的加加脈沖輸輸入端CCU，進進行加法法計數(shù)；此時，下下面與非非門關(guān)閉閉，其輸輸出為高高電平(波形WW4)。當(dāng)當(dāng)光電編編碼器逆逆時針旋旋轉(zhuǎn)時，通通道A輸輸出波形形比通道道B輸出出波形延延遲900，DD觸發(fā)器器輸出QQ(波形形W1)為低電電平，QQ(波形形W2)為高電電平，上上面與非非門關(guān)閉閉，其輸輸出為高高電平(波形WW3)；此時，下下面與非非門打開開，計數(shù)數(shù)脈沖通通過(波波形W44)，送送至雙向向計數(shù)器器74LLS1993的減減脈沖輸輸入端CCD，進進

9、行減法法計數(shù)。 汽汽車方向向盤順時時針和逆逆時針旋旋轉(zhuǎn)時，其其最大旋旋轉(zhuǎn)角度度均為兩兩圈半，選選用分辨辨率為3360個個脈沖/圈的編編碼器，其其最大輸輸出脈沖沖數(shù)為9900個個；實際際使用的的計數(shù)電電路用33片744LS1193組組成，在在系統(tǒng)上上電初始始化時，先先對其進進行復(fù)位位(CLLR信號號)，再再將其初初值設(shè)為為8000H，即即20448(LLD信號號)；如如此，當(dāng)當(dāng)方向盤盤順時針針旋轉(zhuǎn)時時，計數(shù)數(shù)電路的的輸出范范圍為22048829948，當(dāng)當(dāng)方向盤盤逆時針針旋轉(zhuǎn)時時，計數(shù)數(shù)電路的的輸出范范圍為22048811148；計數(shù)電電路的數(shù)數(shù)據(jù)輸出出D0D111送至數(shù)數(shù)據(jù)處理理電路。 實實際

10、使用用時，方方向盤頻頻繁地進進行順時時針和逆逆時針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，由由于存在在量化誤誤差，工工作較長長一段時時間后，方方向盤回回中時計計數(shù)電路路輸出可可能不是是20448，而而是有幾幾個字的的偏差；為解決決這一問問題，我我們增加加了一個個方向盤盤回中檢檢測電路路，系統(tǒng)統(tǒng)工作后后，數(shù)據(jù)據(jù)處理電電路在模模擬器處處于非操操作狀態(tài)態(tài)時，系系統(tǒng)檢測測回中檢檢測電路路，若方方向盤處處于回中中狀態(tài)，而而計數(shù)電電路的數(shù)數(shù)據(jù)輸出出不是220488，可對對計數(shù)電電路進行行復(fù)位，并并重新設(shè)設(shè)置初值值。2.2 光光電編碼碼器在重重力測量量儀中的的應(yīng)用 采用旋旋轉(zhuǎn)式光光電編碼碼器，把把它的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與重重力測量量儀中補補償旋鈕鈕軸

11、相連連。重力力測量儀儀中補償償旋鈕的的角位移移量轉(zhuǎn)化化為某種種電信號號量；旋旋轉(zhuǎn)式光光電編碼碼器分兩兩種，絕絕對編碼碼器和增增量編碼碼器。 增增量編碼碼器是以以脈沖形形式輸出出的傳感感器，其其碼盤比比絕對編編碼器碼碼盤要簡簡單得多多且分辨辨率更高高 。一一般只需需要三條條碼道，這這里的碼碼道實際際上已不不具有絕絕對編碼碼器碼道道的意義義，而是是產(chǎn)生計計數(shù) 脈脈沖。它它的碼盤盤的外道道和中間間道有數(shù)數(shù)目相同同均勻分分布的透透光和不不透光的的扇形區(qū)區(qū)（光柵柵），但但 是兩兩道扇區(qū)區(qū)相互錯錯開半個個區(qū)。當(dāng)當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動時，它它的輸出出信號是是相位差差為900的AA相和BB相脈沖沖 信號號以及只只有一條

12、條透光狹狹縫的第第三碼道道所產(chǎn)生生的脈沖沖信號（它它作為碼碼盤的基基準(zhǔn)位置置，給計計數(shù) 系系統(tǒng)提供供一個初初始的零零位信號號）。從從A，BB兩個輸輸出信號號的相位位關(guān)系（超超前或滯滯后）可可判斷旋旋轉(zhuǎn)的方方向。由由圖3（aa）可見見，當(dāng)碼碼盤正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時，AA道脈沖沖波形比比B道超超前/2，而而反轉(zhuǎn)時時 ，AA道脈沖沖比B道道滯后/2。圖圖3（bb）是一一實際電電路，用用A道整整形波的的下沿觸觸發(fā)單穩(wěn)穩(wěn)態(tài) 產(chǎn)產(chǎn)生的正正脈沖與與B道整整形波相相與，當(dāng)碼碼盤正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時只有有正向口口脈沖輸輸出，反反之，只只有逆向向口脈沖沖輸出。因因此，增增量編碼碼器是根根據(jù)輸出出脈沖源源和脈沖沖計數(shù)來來確定碼碼盤 的的轉(zhuǎn)

13、動方方向和相相對角位位移量。通通常，若若編碼器器有N個個（碼道道）輸出出信號，其其相位差差為/ N，可可計數(shù)脈脈沖為22N倍光光柵數(shù)，現(xiàn)現(xiàn)在N=2。圖圖3電路路的缺點點是有時時會產(chǎn)生生誤記脈脈沖造成成誤差， 這種情情況出現(xiàn)現(xiàn)在當(dāng)某某一道信信號處于于高或低低電平平狀態(tài)，而而另一道道信號正正處于高和和 低低之間間的往返返變化狀狀態(tài)，此此時碼盤盤雖然未未產(chǎn)生位位移，但但是會產(chǎn)產(chǎn)生單方方向的輸輸出脈沖沖。例如如，碼盤盤發(fā)生抖抖動或手手動對準(zhǔn)準(zhǔn)位置時時（下面面可以看看到，在在重力儀儀測量時時就會有有這種情情況）。 圖圖4是一一個既能能防止誤誤脈沖又又能提高高分辨率率的四倍倍頻細分分電路。在在這里，采采用

14、了有有記憶功功能 的的D型觸觸發(fā)器和和時鐘發(fā)發(fā)生電路路。由圖圖4可見見，每一一道有兩兩個D觸觸發(fā)器串串接，這這樣，在在時鐘脈脈 沖的的間隔中中，兩個個Q端（如如對應(yīng)BB道的774LSS1755的第22、7引引腳）保保持前兩兩個時鐘鐘期的輸輸入 狀狀態(tài)，若若兩者相相同，則則表示時時鐘間隔隔中無變變化；否否則，可可以根據(jù)據(jù)兩者關(guān)關(guān)系判斷斷出它的的變化方方 向，從從而產(chǎn)生生正向向或反向輸出脈脈沖。當(dāng)當(dāng)某道由由于振動動在高高、低間間往復(fù)變變化 時時，將交交替產(chǎn)生生正向向和反向脈沖，這這在對兩兩個計數(shù)數(shù)器取代代數(shù)和時時就可消消除它們們的影 響（下下面儀器器的讀數(shù)數(shù)也將涉涉及這點點）。由由此可見見，時鐘鐘

15、發(fā)生器器的頻率率應(yīng)大于于振動頻頻率的可可能 最最大值。由由圖4還還可看出出，在原原一個脈脈沖信號號的周期期內(nèi)，得得到了四四個計數(shù)數(shù)脈沖。例例如，原原每 圈圈脈沖數(shù)數(shù)為10000的的編碼器器可產(chǎn)生生4倍頻頻的脈沖沖數(shù)是440000個，其其分辨率率為0.09。實際際上 ，目目前這類類傳感器器產(chǎn)品都都將光敏敏元件輸輸出信號號的放大大整形等等電路與與傳感檢檢測元件件封裝在在一起 ，所以以只要加加上細分分與計數(shù)數(shù)電路就就可以組組成一個個角位移移測量系系統(tǒng)(7741559是44-166譯碼器器)。3.應(yīng)用中中問題分分析及改改進措施施3.11應(yīng)用中中問題分分析 光光電檢測測裝置的的發(fā)射和和接收裝裝置都安安裝

16、在生生產(chǎn)現(xiàn)場場，在使使用中暴暴露出許許多缺陷陷，其有有內(nèi)在因因素也有有外在因因素，主主要表現(xiàn)現(xiàn)在以下下幾個方方面：3.1.11 發(fā)發(fā)射裝置置或接受受裝置因因機械震震動等原原因而引引起的移移位或偏偏移，導(dǎo)導(dǎo)致接收收裝置不不能可靠靠的接收收到光信信號，而而不能產(chǎn)產(chǎn)生電信信號。例例如；光光電編碼碼器應(yīng)用用在軋鋼鋼調(diào)速系系統(tǒng)中，因因光電編編碼器是是直接用用螺栓固固定在電電動機的的外殼上上，光電電編碼器器的軸通通過較硬硬的彈簧簧片和電電動機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸相連連接，因因電動機機所帶負(fù)負(fù)載是沖沖擊性負(fù)負(fù)載，當(dāng)當(dāng)軋機過過鋼時會會引起電電動機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸和外外殼的振振動。經(jīng)經(jīng)測定；過鋼時時光電編編碼器振振動速度度為2.6mm

17、m/s，這這樣的振振動速度度會損壞壞光電編編碼器的的內(nèi)部功功能。造造成誤發(fā)發(fā)脈沖，從從而導(dǎo)致致控制系系統(tǒng)不穩(wěn)穩(wěn)定或誤誤動作，導(dǎo)導(dǎo)致事故故發(fā)生。3.1.22因光光電檢測測裝置安安裝在生生產(chǎn)現(xiàn)場場，受生生產(chǎn)現(xiàn)場場環(huán)境因因素影響響導(dǎo)致光光電檢測測裝置不不能可靠靠的工作作。如安安裝部位位溫度高高、濕度度大，導(dǎo)導(dǎo)致光電電檢測裝裝置內(nèi)部部的電子子元件特特性改變變或損壞壞。例如如在連鑄鑄機送引引錠跟蹤蹤系統(tǒng)，由由于光電電檢測裝裝置安裝裝的位置置靠近鑄鑄坯，環(huán)環(huán)境溫度度高而導(dǎo)導(dǎo)致光電電檢測裝裝置誤發(fā)發(fā)出信號號或損壞壞，而引引發(fā)生產(chǎn)產(chǎn)或人身身事故。3.1.33生產(chǎn)現(xiàn)現(xiàn)場的各各種電磁磁干擾源源，對光光電檢測測裝置

18、產(chǎn)產(chǎn)生的干干擾，導(dǎo)導(dǎo)致光電電檢測裝裝置輸出出波形發(fā)發(fā)生畸變變失真，使使系統(tǒng)誤誤動或引引發(fā)生產(chǎn)產(chǎn)事故。例例如；光光電檢測測裝置安安裝在生生產(chǎn)設(shè)備備本體，其其信號經(jīng)經(jīng)電纜傳傳輸至控控制系統(tǒng)統(tǒng)的距離離一般在在201000米，傳傳輸電纜纜雖然一一般都選選用多芯芯屏蔽電電纜，但但由于電電纜的導(dǎo)導(dǎo)線電阻阻及線間間電容的的影響再再加上和和其它電電纜同在在一起敷敷設(shè)，極極易受到到各種電電磁干擾擾的影響響，因此此引起波波形失真真，從而而使反饋饋到調(diào)速速系統(tǒng)的的信號與與實際值值的偏差差，而導(dǎo)導(dǎo)致系統(tǒng)統(tǒng)精度下下降。3.2改進進措施33.2.1改變變光電編編碼器的的安裝方方式。光光電編碼碼器不在在安裝在在電動機機外殼

19、上上，而是是在電動動機的基基礎(chǔ)上制制作一固固定支架架來獨立立安裝光光電編碼碼器，光光電編碼碼器軸與與電動機機軸中心心必須處處于同一一水平高高度，兩兩軸采用用軟橡膠膠或尼龍龍軟管相相連接，以以減輕電電動機沖沖擊負(fù)載載對光電電編碼器器的機械械沖擊。采采用此方方式后經(jīng)經(jīng)測振儀儀檢測，其其振動速速度降至至1.22mm/s。3.2.22合理選選擇光電電檢測裝裝置輸出出信號傳傳輸介質(zhì)質(zhì)，采用用雙絞屏屏蔽電纜纜取代普普通屏蔽蔽電纜。雙雙絞屏蔽蔽電纜具具有兩個個重要的的技術(shù)特特性，一一是對電電纜受到到的電磁磁干擾具具有較強強的防護護能力，因因為空間間電磁場場在線上上產(chǎn)生的的干擾電電流可以以互相抵抵消。雙雙絞屏

20、蔽蔽電纜的的另一個個技術(shù)特特點是互互絞后兩兩線間距距很小，兩兩線對干干擾線路路的距離離基本相相等，兩兩線對屏屏蔽網(wǎng)的的分布電電容也基基本相同同，這對對抑制共共模干擾擾效果更更加明顯顯。3.2.33利用PPLC軟軟件監(jiān)控控或干涉涉。在連連鑄生產(chǎn)產(chǎn)的送引引錠過程程要求光光電檢測測裝置產(chǎn)產(chǎn)生有時時序性的的電信號號，同時時，該信信號與整整個過程程不同階階段相對對應(yīng)。如如圖5。送引錠過過程啟動動前，光光電信號號1為“11”。送引錠錠過程啟啟動后，在在A階段段，輥道道啟動，引引錠桿上上送。當(dāng)當(dāng)引錠桿桿擋住光光電裝置置發(fā)射出出的紅外外光時，光光電信號號為“00”；當(dāng)當(dāng)紅外光光透過引引錠桿中中部2個個小圓孔孔時，光光電裝置置發(fā)出信信號2和和3，均均為“11”。送引錠錠過程在在B階段段，光電電信號為為“0”，輥輥道停下下，引錠錠桿暫停停上送，扇扇形100段壓下下，啟動動拉矯機