光電編碼器原理及應(yīng)用電路

1、.光電編碼器原理及應(yīng)用電路交直流侍服器補綴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長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(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，其原理表示圖如圖1所示；議決謀劃每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反應(yīng)當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。別的，為鑒定旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90旱牧鉸仿齔逍藕擰 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

2、度要領(lǐng)及信號輸出式樣，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海傭煞獎愕嘏卸銑魴較潁鳽相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。它的長處是原理布局大略，機器勻稱壽命可在幾萬小時以上，抗滋擾本領(lǐng)強，可靠性高，得當(dāng)于長隔斷傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的盡對位置信息。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

3、光敏元件；當(dāng)碼盤處于差別位置時，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，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的恣意位置都可讀出一個穩(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。編碼的計劃可采取二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補碼等。它的特點是：1.2.1可以直接讀出角度坐標(biāo)的盡對

4、值；1.2.2沒有累積偏差；1.2.3電源切除后位置信息不會丟失。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，勞動可靠,接口數(shù)字化等長處。它廣泛應(yīng)用于cnc機床、反轉(zhuǎn)展轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、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2.1 EPC755A

5、光電編碼器的應(yīng)用EPC755A光電編碼用具備精良的利用性能，在角度丈量、位移丈量時抗滋擾本領(lǐng)很強，并具有穩(wěn)固可靠的輸出脈沖信號，且該脈沖信號經(jīng)計數(shù)后可得到被丈量的數(shù)字信號。因此，我們在研制汽車駕駛模仿器時，他方向回旋轉(zhuǎn)角度的丈量選用EPC755A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個脈沖/圈，思考到汽車方向盤轉(zhuǎn)動是雙向的，既可順時針旋轉(zhuǎn)，也可逆時針旋轉(zhuǎn)，必要對編碼器的輸出信號鑒相后才華計數(shù)。圖2給出了光電編碼器實際利用的鑒相與雙向計數(shù)電路，鑒相電路用1個D觸發(fā)器和2個與非門構(gòu)成，計數(shù)電路用3片74LS193構(gòu)成。當(dāng)光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時，通道A輸出波形超前通道

6、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，計數(shù)脈沖議決(波形W3)，送至雙向計數(shù)器74LS193的加脈沖輸進(jìn)端CU，舉行加法計數(shù)；此時，下面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平(波形W4)。當(dāng)光電編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)時，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，下面與非門打開，計數(shù)脈沖議決(波形W4)，送至雙向計數(shù)器74LS193的減脈沖輸進(jìn)端CD，舉行減法計數(shù)。汽車方向盤順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時，其最大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用辨別

7、率為360個脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖數(shù)為900個；實際利用的計數(shù)電路用3片74LS193構(gòu)成，在體系上電初始化時，先對其舉行復(fù)位(CLR信號)，再將其初值設(shè)為800H，即2048(LD信號)；云云，當(dāng)方向盤順時針旋轉(zhuǎn)時，計數(shù)電路的輸出范疇為20482948，當(dāng)方向盤逆時針旋轉(zhuǎn)時，計數(shù)電路的輸出范疇為20481148；計數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D0D11送至數(shù)據(jù)處理電路。實際利用時，方向盤頻頻地舉行順時針和逆時針轉(zhuǎn)動，由于存在量化偏差，勞動較長一段時間后，方向盤回中時計數(shù)電路輸出大概不是2048，而是有幾個字的過失；為辦理這一標(biāo)題，我們增長了一個方向盤回中檢測電路，體系勞動后，數(shù)據(jù)處理電路在模仿

8、器處于非支配狀態(tài)時，體系檢測回中檢測電路，若方向盤處于回中狀態(tài)，而計數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出不是2048，可對計數(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償旋鈕軸相連。重力丈量儀中補償旋鈕的角位移量轉(zhuǎn)化為某種電信號量；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)相互錯開半個區(qū)。

9、當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動時，它的輸出信號是相位差為90°的A相和B相脈沖信號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號（它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，給計數(shù)體系提供一個初始的零位信號）。從A，B兩個輸出信號的相位干系（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，A道脈沖波形比B道超前/2，而反轉(zhuǎn)時，A道脈沖比B道滯后/2。圖3（b）是一實際電路，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數(shù)來確定碼盤的轉(zhuǎn)動方向和相對角位移量。通常，若編碼器有N個（碼道）輸出信號，其相位差為

10、/ N，可計數(shù)脈沖為2N倍光柵數(shù)，如今N=2。圖3電路的缺點是偶然會產(chǎn)生誤記脈沖造成偏差，這種環(huán)境出如今當(dāng)某一道信號處于高或低電平狀態(tài)，而另一道信號正處于高和 低之間的往返變化狀態(tài)，此時碼盤雖然未產(chǎn)生位移，但是會產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。比方，碼盤產(chǎn)生抖動或手動對準(zhǔn)位置時（下面可以看到，在重力儀丈量時就會有這種環(huán)境）。圖4是一個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)器和時鐘產(chǎn)生電路。由圖4可見，每一道有兩個D觸發(fā)器串接，如許，在時鐘脈沖的隔斷中，兩個Q端（如對應(yīng)B道的74LS175的第2、7引腳）保留前兩個時鐘期的輸進(jìn)狀態(tài)，若兩者雷同，則表現(xiàn)時鐘隔斷中無變

11、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)某道由于振動在高、低間往復(fù)變化時，將瓜代產(chǎn)生正向和反向脈沖，這在對兩個計數(shù)器代替數(shù)和時就可消除它們的影響（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點）。由此可見，時鐘產(chǎn)生器的頻率應(yīng)大于振動頻率的大概最大值。由圖4還可看出，在原一個脈沖信號的周期內(nèi)，得到了四個計數(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，其辨別率為0.09°。實際上，如今這類傳感器產(chǎn)品都將光敏元件輸出信號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)分與計數(shù)電路就可以構(gòu)成一個角位移丈量體系(74159是4-16譯碼器

12、)。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、輸出信號的穩(wěn)固性、相應(yīng)頻率、信號輸出式樣。（1）辨別率光電編碼器的辨別率因此編碼器軸轉(zhuǎn)動一周所產(chǎn)生的輸出信號根本周期數(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。在財產(chǎn)電氣傳動中，根據(jù)差別的應(yīng)用東西，可選擇辨別率通常在5006000PPR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)換信號舉行邏輯處理，可以得到2倍頻或4倍頻的脈沖信

13、號，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）輸出信號的穩(wěn)固性編碼器輸出信號的穩(wěn)固性是指在實際運行條件下，保留法則精度的本領(lǐng)。影響編碼器輸出信號穩(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，在計劃和利用中都要賜與富裕思考。（4）相應(yīng)

14、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，倘若其辨別率很高，那么編碼器輸出的信號頻率將會很高。倘若光電檢測器件和電子線路元器件的勞動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電平較低，波形也不法則，還不克合適于控制、信號處理和遠(yuǎn)離斷傳輸?shù)囊?。以是，在編碼器

15、內(nèi)還務(wù)必將此信號放大、整形。議決處理的輸出信號平常雷同于正弦波或矩形波。由于矩形波輸出信號容易舉行數(shù)字處理，以是這種輸出信號在定位控制中得到廣泛的應(yīng)用。采取正弦波輸出信號時根本消除了定位中斷時的振蕩表象，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輸出式樣有：集電極開路輸出（Open Collector）、電壓輸出（Voltage Output）、線驅(qū)動輸出（Line Driver）、互補型輸出（Complemental Output）和推挽式輸出（Totem Pole）。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

16、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、紡織機器、注油機、主動化配置、切割機器、印刷機器、包裝機器和針織機器等。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、紡織機器、注油機、主動化配置、切割機器、印刷機器、包裝機器和針織機器等。線驅(qū)動輸出 這種輸出方法將線驅(qū)動專用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)動輸出適宜長隔斷傳輸。重要應(yīng)用范疇有伺服電機、呆板人、cnc加工機器等?；パa型輸出 這種輸出方法由上下兩個分別為PNP型和NPN型的三極管構(gòu)成，當(dāng)此中