旋转编码器问答 点击：33024 | 回复：219
发表于：2005-10-07 10:11:00
楼主
.※从接近开关、光电开关到旋转编码器：
工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。可是，随着工控的不断发展，又有了新的要求，这样，选用旋转编码器的应用优点就突出了：
信息化：除了定位，控制室还可知道其具体位置；
柔性化：定位可以在控制室柔性调整；
现场安装的方便和安全、长寿：拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个µ到几十、几百米的距离，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装问题，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。
多功能化：除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。
经济化：对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，以及更主要的安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。
如上所述优点，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。
5.※关于电源供应及编码器和PLC连接：
一般编码器的工作电源有三种：5Vdc、5-13 Vdc或11-26Vdc。如果你买的编码器用的是11-26Vdc的，就可以用PLC的24V电源，需注意的是：
1． 编码器的耗电流，在PLC的电源功率范围内。
2． 编码器如是并行输出，连接PLC的I/O点，需了解编码器的信号电平是推拉式（或称推挽式）输出还是集电极开路输出，如是集电极开路输出的，有N型和P型两种，需与PLC的I/O极性相同。如是推拉式输出则连接没有什么问题。
3． 编码器如是驱动器输出，一般信号电平是5V的，连接的时候要小心，不要让24V的电源电平串入5V的信号接线中去而损坏编码器的信号端。（我公司也可以做宽电压驱动器输出（5-30 Vdc），有此要求定货时要注明）
6.※在很多的情况之下是编码器并没有坏，而只是干扰的原因，造成波型不好，导致计数不准。请教如何进行判断？谢谢！
编码器属精密元件，这主要因为编码器周围干扰比较严重，比如：是否有大型电动机、电焊机频繁起动造成干扰，是否和动力线同一管道传输等。
选择什么样的输出对抗干扰也很重要，一般输出带反向信号的抗干扰要好一些，即A+~A-,B+~B-,Z+~Z-，其特征是加上电源8根线，而不是5根线(共零)。带反向信号的在电缆中的传输是对称的，受干扰小，在接受设备中也可以再增加判断（例如接受设备的信号利用A、B信号90°相位差，读到电平10、11、01、00四种状态时，计为一有效脉冲，此方案可有效提高系统抗干扰性能（计数准确））。
就是编码器也有好坏，其码盘\电子芯片\内部电路\信号输出的差别很大，要不然怎么一个1000线的增量型编码器会从300多元到3000多元差别那么大呢?
①排除(搬离、关闭、隔离)干扰源，②判断是否为机械间隙累计误差，③判断是否为控制系统和编码器的电路接口不匹配（编码器选型错误）；①②③方法偿试后故障现象排除，则可初步判断，若未排除须进一步分析。
判断是否为编码器自身故障的简单方法是排除法。现在我公司编码器已大规模生产，技术生产已成熟运用，产品故障率控制在千分之几。排除法的具体方法是：用一台相同型号的编码器替换上去，如果故障现象相同，可基本排除是编码器故障问题，因为两台编码器同时有故障的小概率事件发生可能很小，可以看作为0。假如换一台相同型号编码器上去，故障现象立刻排除，则可基本判定是编码器故障。
7.※请教一下，何为长线驱动？普通型编码器能否远距离传送？
答：长线驱动也称差分长线驱动，5V，TTL的正负波形对称形式，由于其正负电流方向相反，对外电磁场抵消，故抗干扰能力较强。普通型编码器一般传输距离是100米，如果是24V HTL型且有对称负信号的，传输距离300-400米。
8.※有网友问：能否简单介绍旋转编码器检测直线位移的方法？
答： 1，使用“弹性连轴器”将旋转编码器与驱动直线位移的动力装置的主轴直接联轴。
2，使用小型齿轮（直齿，伞齿或蜗轮蜗杆）箱与动力装置联轴。
3，使用在直齿条上转动的齿轮来传递直线位移信息。
4，在传动链条的链轮上获得直线位移信息。
5，在同步带轮的同步带上获得直线位移信息。
6，使用安装有磁性滚轮的旋转编码器在直线位移的平整钢铁材料表面获得位移信息（避免滑差）。
7，使用类似“钢皮尺”的“可回缩钢丝总成”连接旋转编码器来探测直线位移信息（数据处理中须克服叠层卷绕误差）。
8，类似7，使用带小型力矩电机的“可回缩钢丝总成”连接旋转编码器来探测直线位移信息（目前德国有类似产品，结构复杂，几乎无叠层卷绕误差）。
9.※求教：增量光栅Z信号可否作零点？圆光栅编码器如何选用？
无论直线光栅还是轴编码器其Z信号的均可达到同A\B信号相同的精确度，只不过轴编码器是一圈一个，而直线光栅是每隔一定距离一个，用这个信号可达到很高的重复精度。可先用普通的接近开关初定位，然后找最为接近的Z信号(每次同方向找)，装的时候不要望忘了将其相位调的和光栅相位一致，否则不准。
根据你的细分精度要求和分辩率要求选用。精度高自然要选用每周线纹高的，精度不高，就没必要选用高线纹数的圆光栅编码器了。
10.※请教两个问题：增量型编码器和绝对型编码器有何区别？做一个伺服系统时怎么选择呢？
常用的为增量型编码器，如果对位置、零位有严格要求用绝对型编码器。伺服系统要具体分析，看应用场合。
测速度用常用增量型编码器，可无限累加测量；测位置用绝对型编码器，位置唯一性（单圈或多圈），最终看应用场合，看要实现的目的和要求。
发表于：2006-10-21 09:48:00
62楼
串行通讯作为一种新型集中分散电梯控制系统，在国内已经得到广泛应用，较以往集中统一控制系统而言各分控器可完成一些诸如呼梯、指令、显示等工作，极大减轻了主控器的负担，主控器效率明显提高。
----串行通讯明显减少了PLC过程控制器的输入、输出点。控制柜内PLC的点数不会随层站增加而改变，使控制柜标准化成为可能。另外串行通讯也使井道电缆的数量减少，使安装接线、维修等简单方便，故障点大大减少，提高了控制系统的可靠性。
----目前在电梯串行通讯技术中占主导地位的是主从结构的BIBUS网络系统，它采用RS-485总线，通讯结构为命令响应式，其潜在的危险就是采用了集中控制方式，一旦主接点出现故障整个系统将瘫痪。另外在硬件系统中，硬件电路板的制作，每个组件不可能保证严格的准确，即使在组件使用前进行老化处理不仅费时、麻烦，也很难保证100%合格，所以这样的电路板也很难保证质量，用在串行系统中就是故障隐患。另一种为各接点自主通讯方式如CAN总线，NEW LIFT以及LONWORKS总线。总之这些串行通讯都存在一个问题就是一旦哪一层出现问题查起来很不方便，需要每层都查一遍，而我们要用的西门子AS-I就能很好的解决这个问题。它的主站能独立显示每个从站的信息。
----AS-i（Actuator-Sensor-Interface传感器-执行器-接口）是为最低层现场自动化而设计的网络，是使用于双工位的执行器和传感器的网络。AS-I是基于主-从原理进行工作的。在中心控制器PLC上有一个主站模块。通过AS-interface电缆连接起来的传感器/执行器作为从站模块由主站模块操纵。
----AS-i在电梯中的具体应用如图
2、节省了PLC的I/O点
----因为所有呼梯信号、指令信号、指示灯、层显等，无须直接和PLC相连，这使的PLC的点数大大降低。
3、编程调试简单
----ASI与并列的I/O没有任何区别，因此AS-i与现有的系统相连接只需对控制程序进行略微修改，整个系统可以在无须了解ASI内部功能和附加软件的情况下进行调试。
4、通讯准确及时
----AS-i是一个"单主站系统"，即每个网络只有一台用于数据交换控制的主站，它顺序地访问每个从站并且等候其响应。AS-i使用一个固定的传输模式，因此能够满足复杂过程的控制传输或区别数据类型的要求。
6、双芯电缆传输数据和电源
----在数据交换的同时，AS-i电缆同时为按钮、指示灯供电（30VDC）电源取自AS-i电源，无须另接电源。通过绝缘穿刺接点实现从站的快速连接。
7、防止反极性接线的快速连接
----电缆的特殊造型使接线快速而简单，避免接错。
8、可靠、灵活的操作方式
----通讯方式提供了很高的操作可靠性，主站检查网络电压和传输的数据，它能识别传输错误和从站的故障，并且向控制器报告这些事件，用户可以决定系统对他们该做怎样的处理，在对系统中其它站点通讯不影响的情况下对从站进行更换和添加。
----一个重要的优点在于AS-i主站无须调试，无须应用软件和通讯软件包，ASI电缆上所接从站模块工作的同时，ASI主站自动通过ASI电缆进行通讯。
----串行通讯明显减少了PLC过程控制器的输入、输出点。控制柜内PLC的点数不会随层站增加而改变，使控制柜标准化成为可能。另外串行通讯也使井道电缆的数量减少，使安装接线、维修等简单方便，故障点大大减少，提高了控制系统的可靠性。
----目前在电梯串行通讯技术中占主导地位的是主从结构的BIBUS网络系统，它采用RS-485总线，通讯结构为命令响应式，其潜在的危险就是采用了集中控制方式，一旦主接点出现故障整个系统将瘫痪。另外在硬件系统中，硬件电路板的制作，每个组件不可能保证严格的准确，即使在组件使用前进行老化处理不仅费时、麻烦，也很难保证100%合格，所以这样的电路板也很难保证质量，用在串行系统中就是故障隐患。另一种为各接点自主通讯方式如CAN总线，NEW LIFT以及LONWORKS总线。总之这些串行通讯都存在一个问题就是一旦哪一层出现问题查起来很不方便，需要每层都查一遍，而我们要用的西门子AS-I就能很好的解决这个问题。它的主站能独立显示每个从站的信息。
----AS-i（Actuator-Sensor-Interface传感器-执行器-接口）是为最低层现场自动化而设计的网络，是使用于双工位的执行器和传感器的网络。AS-I是基于主-从原理进行工作的。在中心控制器PLC上有一个主站模块。通过AS-interface电缆连接起来的传感器/执行器作为从站模块由主站模块操纵。
----AS-i在电梯中的具体应用如图
2、节省了PLC的I/O点
----因为所有呼梯信号、指令信号、指示灯、层显等，无须直接和PLC相连，这使的PLC的点数大大降低。
3、编程调试简单
----ASI与并列的I/O没有任何区别，因此AS-i与现有的系统相连接只需对控制程序进行略微修改，整个系统可以在无须了解ASI内部功能和附加软件的情况下进行调试。
4、通讯准确及时
----AS-i是一个"单主站系统"，即每个网络只有一台用于数据交换控制的主站，它顺序地访问每个从站并且等候其响应。AS-i使用一个固定的传输模式，因此能够满足复杂过程的控制传输或区别数据类型的要求。
6、双芯电缆传输数据和电源
----在数据交换的同时，AS-i电缆同时为按钮、指示灯供电（30VDC）电源取自AS-i电源，无须另接电源。通过绝缘穿刺接点实现从站的快速连接。
7、防止反极性接线的快速连接
----电缆的特殊造型使接线快速而简单，避免接错。
8、可靠、灵活的操作方式
----通讯方式提供了很高的操作可靠性，主站检查网络电压和传输的数据，它能识别传输错误和从站的故障，并且向控制器报告这些事件，用户可以决定系统对他们该做怎样的处理，在对系统中其它站点通讯不影响的情况下对从站进行更换和添加。
----一个重要的优点在于AS-i主站无须调试，无须应用软件和通讯软件包，ASI电缆上所接从站模块工作的同时，ASI主站自动通过ASI电缆进行通讯。
发表于：2006-10-21 10:08:00
63楼
教你如何选择正确的电缆
因为标准的连接线或多芯双绞线目前仍然是使用最为广泛的线。这些基本的标准依然是非常重要的。然而，越来越多的智能传感器、I/O设备、数据采集和通信，以及各种电源、多用的机器人和加工设备的应用，使得连线和电缆的选择正变得越来越复杂。当然，选择正确的电缆也不是那么的神秘莫测。 对于非稳定（non-stationary）性、通信或更多的传统接线和电缆，有8种主要的选择。包括连续伸缩（continuous flex）；扭力机器人（torsional robotic）；伺服；控制；数据总线；欧洲标准线、电缆和光纤；欧洲Unitronic线；以及起重和传输系统电缆 。各种频率驱动、光纤和更多特殊用途的电缆类型和连接方式都必须根据其特性进行应用。 连续伸缩电缆（Continuous flex cable）是为高速自动化应用场合设计的，如工业机器人、取放（pick-and-place）机械、操作系统、机械加工和传输系统。标准的控制电缆应用于这些场合，但是不适用于连续伸缩的情况，因为其最小要达到500-1000万转。连续伸缩电缆能以6.5-13 ft/sec进行运转，其加速度可达到25 ft/sec。 连续伸缩电缆由弹性材料制成，因此，在每次伸缩周期后能快速恢复到未受力状态。其铜芯必须具有良好的延展性（不超过34标号），这有助于移动和减少连线。 在选择和安装连续伸缩电缆时，用户必须注意它的弯曲半径。它表示了角的紧绷程度（通常直径为12 x ，或更小），在范围之内不会产生弹性记忆的损失，以及其他破坏。用户还必须注意伸缩寿命。 扭力机器人（torsional robotic）电缆使用于扭曲和弯曲的应用场合，能减少故障和疲劳，一般适用范围可超过200万转。但也必须在标准电缆规定的温度、电压和老化程度等要求下运行。 伺服电缆在一根电缆中有3种类型：用于伺服电动机的电源、信号和控制。以便能在远、近距离中准确移动。伺服系统要求高伸缩循环周期电缆，还包含不同标号的内芯。电源内芯驱动马达，控制内芯指导设定的运动。伺服电动机经常要在电磁干扰屏蔽(EMI)的环境下运行，避免对控制和反馈信号的扰动。 控制电缆允许数据传输。这种电缆的中的中小标号的屏蔽电缆通常需要的电压为115 V ac或24 V dc，有时也称之为“电子线（electronic wire）”。 数据总线电缆以高速、高带宽传输信息，信息在连接底层设备和控制系统设备层网络中传输，无须输入输出接口。 欧洲标准线（European wire），用于出口向欧洲国家的设备，遵照欧洲电工标准化委员会(CENELEC)标准，符合CE标准，并且适用于电源电缆和连接线。 欧洲Unitronic电子电缆是多对数电缆（multipair cable），同样也符合欧洲标准如VDE、DIN。用于电子、通信、过程控制和仪表应用。
因为标准的连接线或多芯双绞线目前仍然是使用最为广泛的线。这些基本的标准依然是非常重要的。然而，越来越多的智能传感器、I/O设备、数据采集和通信，以及各种电源、多用的机器人和加工设备的应用，使得连线和电缆的选择正变得越来越复杂。当然，选择正确的电缆也不是那么的神秘莫测。 对于非稳定（non-stationary）性、通信或更多的传统接线和电缆，有8种主要的选择。包括连续伸缩（continuous flex）；扭力机器人（torsional robotic）；伺服；控制；数据总线；欧洲标准线、电缆和光纤；欧洲Unitronic线；以及起重和传输系统电缆 。各种频率驱动、光纤和更多特殊用途的电缆类型和连接方式都必须根据其特性进行应用。 连续伸缩电缆（Continuous flex cable）是为高速自动化应用场合设计的，如工业机器人、取放（pick-and-place）机械、操作系统、机械加工和传输系统。标准的控制电缆应用于这些场合，但是不适用于连续伸缩的情况，因为其最小要达到500-1000万转。连续伸缩电缆能以6.5-13 ft/sec进行运转，其加速度可达到25 ft/sec。 连续伸缩电缆由弹性材料制成，因此，在每次伸缩周期后能快速恢复到未受力状态。其铜芯必须具有良好的延展性（不超过34标号），这有助于移动和减少连线。 在选择和安装连续伸缩电缆时，用户必须注意它的弯曲半径。它表示了角的紧绷程度（通常直径为12 x ，或更小），在范围之内不会产生弹性记忆的损失，以及其他破坏。用户还必须注意伸缩寿命。 扭力机器人（torsional robotic）电缆使用于扭曲和弯曲的应用场合，能减少故障和疲劳，一般适用范围可超过200万转。但也必须在标准电缆规定的温度、电压和老化程度等要求下运行。 伺服电缆在一根电缆中有3种类型：用于伺服电动机的电源、信号和控制。以便能在远、近距离中准确移动。伺服系统要求高伸缩循环周期电缆，还包含不同标号的内芯。电源内芯驱动马达，控制内芯指导设定的运动。伺服电动机经常要在电磁干扰屏蔽(EMI)的环境下运行，避免对控制和反馈信号的扰动。 控制电缆允许数据传输。这种电缆的中的中小标号的屏蔽电缆通常需要的电压为115 V ac或24 V dc，有时也称之为“电子线（electronic wire）”。 数据总线电缆以高速、高带宽传输信息，信息在连接底层设备和控制系统设备层网络中传输，无须输入输出接口。 欧洲标准线（European wire），用于出口向欧洲国家的设备，遵照欧洲电工标准化委员会(CENELEC)标准，符合CE标准，并且适用于电源电缆和连接线。 欧洲Unitronic电子电缆是多对数电缆（multipair cable），同样也符合欧洲标准如VDE、DIN。用于电子、通信、过程控制和仪表应用。
发表于：2006-10-21 10:11:00
64楼
PLC控制系统应用的抗干扰问题
[摘 要] 分析了电磁干扰及其对PLC控制系统干扰的机制，指出在工程应用时必须综合考虑控制系统的抗干扰性能，并结合工程提出了几种有效的抗干扰措施。 [关键词] 电磁干扰 电磁兼容性 PLC控制系统 接地技术 1 概述 随着科学技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家用提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。 2 电磁干扰源及对系统的干扰 2.1 干扰源及干扰一般分类 影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。 干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。 2.2 PLC控制系统中电磁干扰的主要来源 2.2.1 来自空间的辐射干干扰
空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；而是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。 2.2.2 来自系统外引线的干扰 主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。 （1）来自电源的干扰 实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后更换隔离性能更高的PLC电源，问题才得到解决。 PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，入开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。 （2）来自信号线引入的干扰 与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。 （3）来自接地系统混乱时的干扰 接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。 PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。 此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽
层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。 2.2.3 来自PLC系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。 3 PLC控制系统工程应用的抗干扰设计 为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径；提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。 PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具有情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。进行具体工程的抗干扰设计时，应主要以下两个方面。 3.1 设备选型 在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作；另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。 在选择国外进口产品要注意：我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高，在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准（GB/T13926）合理选择。 3.2 综合抗干扰设计 主要考虑来自系统外部的几种如果抑制措施。主要内容包括：对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是原理动力电缆，分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接
地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。 4 主要抗干扰措施 4.1 采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰 在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU 电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。 此外，位保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。 4.2 电缆选择的敖设 为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆。笔者在某工程中，采用了铜带铠装屏蔽电力电缆，从而降低了动力线生产的电磁干扰，该工程投产后取得了满意的效果。 不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，以减少电磁干扰。 4.3 硬件滤波及软件抗如果措施 信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。 由于电磁干扰的复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。 4.4 正确选择接地点，完善接地系统 接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10 ~ 15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。 信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。 5 结束语 PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使PLC控制系统正常工作。
[摘 要] 分析了电磁干扰及其对PLC控制系统干扰的机制，指出在工程应用时必须综合考虑控制系统的抗干扰性能，并结合工程提出了几种有效的抗干扰措施。 [关键词] 电磁干扰 电磁兼容性 PLC控制系统 接地技术 1 概述 随着科学技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家用提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。 2 电磁干扰源及对系统的干扰 2.1 干扰源及干扰一般分类 影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。 干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。 2.2 PLC控制系统中电磁干扰的主要来源 2.2.1 来自空间的辐射干干扰
空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；而是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。 2.2.2 来自系统外引线的干扰 主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。 （1）来自电源的干扰 实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后更换隔离性能更高的PLC电源，问题才得到解决。 PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，入开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。 （2）来自信号线引入的干扰 与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。 （3）来自接地系统混乱时的干扰 接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。 PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。 此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽
层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。 2.2.3 来自PLC系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。 3 PLC控制系统工程应用的抗干扰设计 为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径；提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。 PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具有情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。进行具体工程的抗干扰设计时，应主要以下两个方面。 3.1 设备选型 在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作；另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。 在选择国外进口产品要注意：我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高，在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准（GB/T13926）合理选择。 3.2 综合抗干扰设计 主要考虑来自系统外部的几种如果抑制措施。主要内容包括：对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是原理动力电缆，分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接
地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。 4 主要抗干扰措施 4.1 采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰 在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU 电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。 此外，位保证电网馈点不中断，可采用在线式不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。 4.2 电缆选择的敖设 为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆。笔者在某工程中，采用了铜带铠装屏蔽电力电缆，从而降低了动力线生产的电磁干扰，该工程投产后取得了满意的效果。 不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，以减少电磁干扰。 4.3 硬件滤波及软件抗如果措施 信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。 由于电磁干扰的复杂性，要根本消除迎接干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。 4.4 正确选择接地点，完善接地系统 接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10 ~ 15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。 信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。 5 结束语 PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使PLC控制系统正常工作。
发表于：2006-10-24 09:16:00
71楼
转:光电编码器基础
1.1 概述
光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。近10几年来，发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。光电编码器可以定义为：一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成。
一般来说，根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。由于直线式运动可以借助机械连接转变为旋转式运动，反之亦然。因此，只有在那些结构形式和运动方式都有利于使用直线式光电编码器的场合才予使用。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用，在本书中主要针对旋转式光电编码器，如不特别说明，所提到的光电编码器则指旋转式光电编码器。
1.2 增量式光电编码器
1.2.1 原理及其结构
增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B两相互差 电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。
增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图1-1所示。码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差 电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差 电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图1-2所示。
增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。
图1-1 增量式光电编码器的组成
图1-2 增量式光电编码器的输出信号波形
基本技术规格
在增量式光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式。
（1）分辨率
光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在500~6000PPR的增量式光电编码器，最高可以达到几万PPR。交流伺服电机控制系统中通常选用分辨率为2500PPR的编码器。此外对光电转换信号进行逻辑处理，可以得到2倍频或4倍频的脉冲信号，从而进一步提高分辨率。
（2）精度
增量式光电编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。
（3）输出信号的稳定性
编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。
（4）响应频率
编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。当编码器高速旋转时，如果其分辨率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。如果光电检测器件和电子线路元器件的工作速度与之不能相适应，就有可能使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。这样输出信号就不能准确反映轴的位置信息。所以，每一种编码器在其分辨率一定的情况下，它的最高转速也是一定的，即它的响应频率是受限制的。编码器的最大响应频率、分辨率和最高转速之间的关系如公式（1-1）所示。
(1-1)
其中， 为最大响应频率、 为最高转速、N为分辨率。
（5）信号输出形式
在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。所以，在编码器内还必须将此信号放大、整形。经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易进行数字处理，所以这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采用正弦波输出信号时基本消除了定位停止时的振荡现象，并且容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。
增量式光电编码器的信号输出形式有：集电极开路输出（Open Collector）、电压输出（Voltage Output）、线驱动输出（Line Driver）、互补型输出（Complemental Output）和推挽式输出（Totem Pole）。
集电极开路输出 这种输出方式通过使用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0V，断开集电极与+Vcc的端子并把集电极作为输出端。在编码器供电电压和信号接受装置的电压不一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。输出电路如图1-3所示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。
图1-3 集电极开路输出电路
电压输出 这种输出方式通过使用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0V，集电极端子与+Vcc和负载电阻相连，并作为输出端。在编码器供电电压和信号接受装置的电压一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。输出电路如图1-4所示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。
图1-4 电压输出电路
线驱动输出 这种输出方式将线驱动专用IC芯片（26LS31）用于编码器输出电路，由于它具有高速响应和良好的抗噪声性能，使得线驱动输出适宜长距离传输。输出电路如图1-5所示。主要应用领域有伺服电机、机器人、数控加工机械等。
图1-5 线驱动输出电路
互补型输出 这种输出方式由上下两个分别为PNP型和NPN型的三极管组成，当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。这种输出形式具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此在低阻抗情况下它也可以提供大范围的电源。由于输入、输出信号相位相同且频率范围宽，因此它适合长距离传输。输出电路如图1-6所示。主要应用于电梯领域或专用领域。
图1-6 互补型输出电路
推挽式输出 这种输出方式由上下两个NPN型的三极管组成，当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。电流通过输出侧的两个晶体管向两个方向流入，并始终输出电流。因此它阻抗低，而且不太受噪声和变形波的影响。输出电路如图1-7所示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。
图1-7 推挽式输出电路
1.1 概述
光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。近10几年来，发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。光电编码器可以定义为：一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成。
一般来说，根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。由于直线式运动可以借助机械连接转变为旋转式运动，反之亦然。因此，只有在那些结构形式和运动方式都有利于使用直线式光电编码器的场合才予使用。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用，在本书中主要针对旋转式光电编码器，如不特别说明，所提到的光电编码器则指旋转式光电编码器。
1.2 增量式光电编码器
1.2.1 原理及其结构
增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B两相互差 电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。
增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图1-1所示。码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差 电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差 电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图1-2所示。
增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。
图1-1 增量式光电编码器的组成
图1-2 增量式光电编码器的输出信号波形
基本技术规格
在增量式光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式。
（1）分辨率
光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在500~6000PPR的增量式光电编码器，最高可以达到几万PPR。交流伺服电机控制系统中通常选用分辨率为2500PPR的编码器。此外对光电转换信号进行逻辑处理，可以得到2倍频或4倍频的脉冲信号，从而进一步提高分辨率。
（2）精度
增量式光电编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。
（3）输出信号的稳定性
编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。
（4）响应频率
编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。当编码器高速旋转时，如果其分辨率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。如果光电检测器件和电子线路元器件的工作速度与之不能相适应，就有可能使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。这样输出信号就不能准确反映轴的位置信息。所以，每一种编码器在其分辨率一定的情况下，它的最高转速也是一定的，即它的响应频率是受限制的。编码器的最大响应频率、分辨率和最高转速之间的关系如公式（1-1）所示。
(1-1)
其中， 为最大响应频率、 为最高转速、N为分辨率。
（5）信号输出形式
在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。所以，在编码器内还必须将此信号放大、整形。经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易进行数字处理，所以这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采用正弦波输出信号时基本消除了定位停止时的振荡现象，并且容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。
增量式光电编码器的信号输出形式有：集电极开路输出（Open Collector）、电压输出（Voltage Output）、线驱动输出（Line Driver）、互补型输出（Complemental Output）和推挽式输出（Totem Pole）。
集电极开路输出 这种输出方式通过使用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0V，断开集电极与+Vcc的端子并把集电极作为输出端。在编码器供电电压和信号接受装置的电压不一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。输出电路如图1-3所示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。
图1-3 集电极开路输出电路
电压输出 这种输出方式通过使用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0V，集电极端子与+Vcc和负载电阻相连，并作为输出端。在编码器供电电压和信号接受装置的电压一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。输出电路如图1-4所示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。
图1-4 电压输出电路
线驱动输出 这种输出方式将线驱动专用IC芯片（26LS31）用于编码器输出电路，由于它具有高速响应和良好的抗噪声性能，使得线驱动输出适宜长距离传输。输出电路如图1-5所示。主要应用领域有伺服电机、机器人、数控加工机械等。
图1-5 线驱动输出电路
互补型输出 这种输出方式由上下两个分别为PNP型和NPN型的三极管组成，当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。这种输出形式具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此在低阻抗情况下它也可以提供大范围的电源。由于输入、输出信号相位相同且频率范围宽，因此它适合长距离传输。输出电路如图1-6所示。主要应用于电梯领域或专用领域。
图1-6 互补型输出电路
推挽式输出 这种输出方式由上下两个NPN型的三极管组成，当其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。电流通过输出侧的两个晶体管向两个方向流入，并始终输出电流。因此它阻抗低，而且不太受噪声和变形波的影响。输出电路如图1-7所示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。
图1-7 推挽式输出电路
发表于：2006-10-24 09:21:00
72楼
转:1.3 绝对式光电编码器
1.3.1 基本构造及特点
用增量式光电编码器有可能由于外界的干扰产生计数错误，并且在停电或故障停车后无法找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对式光电编码器可以避免上述缺点。绝对式光电编码器的基本原理及组成部件与增量式光电编码器基本相同，也是由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。与增量式光电编码器不同的是，绝对式光电编码器用不同的数码来分别指示每个不同的增量位置，它是一种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。绝对式光电编码器原理如图1-8所示。
绝对式光电编码器是利用自然二进制、循环二进制（格雷码）、二-十进制等方式进行光电转换的。绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对光电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。它的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失；编码器的精度取决于位数；最高运转速度比增量式光电编码器高。
图1-8 绝对式光电编码器原理
1.3.2 码制与码盘
绝对式光电编码器的码盘按照其所用的码制可以分为：二进制码、循环码（格雷码）、十进制码、六十进制码（度、分、秒进制）码盘等。四位二元码盘（二进制、格雷码）如图1-9所示。图中黑、白色分别表示透光、不透光区域。
图1-9 四位二元码盘
图1-9（a）是一个四位二进制码盘，它的最里圈码道为第一码道，半圈透光半圈不透光，对应于最高位C1，最外圈为第n码道，共分成2n个亮暗间隔，对应于最低位Cn，n位二元码盘最小分辨率为：
（1-2）
码盘转角 与转换出的二进制数码C1C2……Cn及十进制数N的对应关系为：
（1-3）
二进制马盘的缺点是：每个码道的黑白分界线总有一半与相邻内圈码道的黑白分界线是对齐的，这样就会因黑白分界线刻画不精确造成粗误差。采用其他的有权编码时也存在类似的问题。图1-10是一个四位二进制码盘展开图，图中aa为最高位码道黑白分界线的理想位置，它与其他三位码道的黑白分界线正好对齐，当码盘转动，光束扫过这一区域时，输出数码从0111变为1000不会出现错误。如果C1道黑白分界线刻偏到a’a’，当码盘转动时，输出数码就会从0111变为1111再变到1000，中途出现了错误数码1111。反之C1道黑白分界线刻偏到a’’a’’，当码盘转动时，输出数码就会从0111变为0000再变到1000，中途出现了错误数码0000。为了消除这种粗误差，可以采用循环码盘（格雷码盘）。
图1-10 四位二进制码盘展开图
图1-9（b）是一个四位循环码盘，它与二进制码盘相同的是，码道数也等于数码位数，因此最小分辨率也是式（1-2）求得，最内圈也是半圈透光半圈不透光，对应R1位，最外圈是第n码道对于Rn位。与二进制码盘不同的是：第二码道也是一半透光一半不透光，第i码道分为2i-1个黑白间隔，第i码道的黑白分界线与第i-1码道的黑白分界线错开 。循环码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化。只要适当限制各码道的制作误差和安装误差，就不会产生粗误差。由于这一原理，使得循环码盘获得广泛的应用。
1.3.3 二进制码与循环码的转换
绝对式光电编码器是利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的，编码的设计一般是采用自然二进制码、循环二进制码、二进制补码等。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；抗干扰能力强，没用累积误差；电源切断后位置信息不会丢失，但分辨率是由二进制的位数决定的，根据不同的精度要求，可以选择不同的分辨率即位数。目前有10位、11位、12位、13位、14位或更高位等多种。
其中采用循环二进制编码的绝对式编码器，其输出信号是一种数字排序，不是权重码，每一位没有确定的大小，不能直接进行比较大小和算术运算，也不能直接转换成其他信号，要经过一次码变换，变成自然二进制码，再由上位机读取以实现相应的控制。而在码制变换中有不同的处理方式，本文着重介绍二进制格雷码与自然二进制码的互换。
（1）格雷码（又叫循环二进制码或反射二进制码）介绍
在数字系统中只能识别0和1，各种数据要转换为二进制代码才能进行处理，格雷码是一种无权码，采用绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式，因为，自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但某些情况，例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它是一种数字排序系统，其中的所有相邻整数在它们的数字表示中只有一个数字不同。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫葛莱反射码或循环码。表1-1为几种自然二进制码与格雷码的对照表：
表1-1 几种自然二进制码与格雷码的对照表
十进制数
自然二进制数
格雷码
十进制数
自然二进制数
格雷码
0
0000
0000
8
1000
1100
1
0001
0001
9
1001
1101
2
0010
0011
10
1010
1111
3
0011
0010
11
1011
1110
4
0100
0110
12
1100
1010
5
0101
0111
13
1101
1011
1.3.1 基本构造及特点
用增量式光电编码器有可能由于外界的干扰产生计数错误，并且在停电或故障停车后无法找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对式光电编码器可以避免上述缺点。绝对式光电编码器的基本原理及组成部件与增量式光电编码器基本相同，也是由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。与增量式光电编码器不同的是，绝对式光电编码器用不同的数码来分别指示每个不同的增量位置，它是一种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。绝对式光电编码器原理如图1-8所示。
绝对式光电编码器是利用自然二进制、循环二进制（格雷码）、二-十进制等方式进行光电转换的。绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对光电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。它的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失；编码器的精度取决于位数；最高运转速度比增量式光电编码器高。
图1-8 绝对式光电编码器原理
1.3.2 码制与码盘
绝对式光电编码器的码盘按照其所用的码制可以分为：二进制码、循环码（格雷码）、十进制码、六十进制码（度、分、秒进制）码盘等。四位二元码盘（二进制、格雷码）如图1-9所示。图中黑、白色分别表示透光、不透光区域。
图1-9 四位二元码盘
图1-9（a）是一个四位二进制码盘，它的最里圈码道为第一码道，半圈透光半圈不透光，对应于最高位C1，最外圈为第n码道，共分成2n个亮暗间隔，对应于最低位Cn，n位二元码盘最小分辨率为：
（1-2）
码盘转角 与转换出的二进制数码C1C2……Cn及十进制数N的对应关系为：
（1-3）
二进制马盘的缺点是：每个码道的黑白分界线总有一半与相邻内圈码道的黑白分界线是对齐的，这样就会因黑白分界线刻画不精确造成粗误差。采用其他的有权编码时也存在类似的问题。图1-10是一个四位二进制码盘展开图，图中aa为最高位码道黑白分界线的理想位置，它与其他三位码道的黑白分界线正好对齐，当码盘转动，光束扫过这一区域时，输出数码从0111变为1000不会出现错误。如果C1道黑白分界线刻偏到a’a’，当码盘转动时，输出数码就会从0111变为1111再变到1000，中途出现了错误数码1111。反之C1道黑白分界线刻偏到a’’a’’，当码盘转动时，输出数码就会从0111变为0000再变到1000，中途出现了错误数码0000。为了消除这种粗误差，可以采用循环码盘（格雷码盘）。
图1-10 四位二进制码盘展开图
图1-9（b）是一个四位循环码盘，它与二进制码盘相同的是，码道数也等于数码位数，因此最小分辨率也是式（1-2）求得，最内圈也是半圈透光半圈不透光，对应R1位，最外圈是第n码道对于Rn位。与二进制码盘不同的是：第二码道也是一半透光一半不透光，第i码道分为2i-1个黑白间隔，第i码道的黑白分界线与第i-1码道的黑白分界线错开 。循环码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化。只要适当限制各码道的制作误差和安装误差，就不会产生粗误差。由于这一原理，使得循环码盘获得广泛的应用。
1.3.3 二进制码与循环码的转换
绝对式光电编码器是利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的，编码的设计一般是采用自然二进制码、循环二进制码、二进制补码等。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；抗干扰能力强，没用累积误差；电源切断后位置信息不会丢失，但分辨率是由二进制的位数决定的，根据不同的精度要求，可以选择不同的分辨率即位数。目前有10位、11位、12位、13位、14位或更高位等多种。
其中采用循环二进制编码的绝对式编码器，其输出信号是一种数字排序，不是权重码，每一位没有确定的大小，不能直接进行比较大小和算术运算，也不能直接转换成其他信号，要经过一次码变换，变成自然二进制码，再由上位机读取以实现相应的控制。而在码制变换中有不同的处理方式，本文着重介绍二进制格雷码与自然二进制码的互换。
（1）格雷码（又叫循环二进制码或反射二进制码）介绍
在数字系统中只能识别0和1，各种数据要转换为二进制代码才能进行处理，格雷码是一种无权码，采用绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式，因为，自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但某些情况，例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它是一种数字排序系统，其中的所有相邻整数在它们的数字表示中只有一个数字不同。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫葛莱反射码或循环码。表1-1为几种自然二进制码与格雷码的对照表：
表1-1 几种自然二进制码与格雷码的对照表
十进制数
自然二进制数
格雷码
十进制数
自然二进制数
格雷码
0
0000
0000
8
1000
1100
1
0001
0001
9
1001
1101
2
0010
0011
10
1010
1111
3
0011
0010
11
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4
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0110
12
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1010
5
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13
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发表于：2006-10-24 09:30:00
73楼
转:直线和旋转编码器、解角器结构和原理
Linear and Rotary Encoders
An encoder is an electrical mechanical device that can monitor motion or position. A typical encoder uses optical sensors to provide a series of pulses that can be translated into motion, position, or direction. Figure 10-109 shows a diagram and picture of rotary encoders. The diagram in Fig. 10-109b shows that the disk is very thin, and a stationary light-emitting diode (LED) is mounted so that its light will continually be focused through the glass disk. A light-activated transistor is mounted on the other side of the disk so that it can detect the light from the LED. The disk is mounted to the shaft of a motor or other device whose position is being sensed, so that when the shaft turns, the disk turns. When the disk lines up so the light from the LED is focused on the phototransistor, the phototransistor will go into saturation and an electrical square wave pulse will be produced. This figure shows an example of the square wave pulses that are produced by the rotary encoder. This type of disk was used in early applications but the size of the holes in the metal disk limited the amount of accuracy that could be obtained. As more holes were cut in the disk, it became too fragile for industrial use.
FIGURE 10-108 Example of Hall-effect switches. These switches are used for positioning applications such as indicating when a door is open or closed or if a safety guard is in place.
Incremental Rotary Encoder
An encoder with one set of pulses would not be useful since it could not indicate the direction of rotation. Most incremental encoders have a second set of pulses that is offset (out of phase) from the first set of pulses, and a single pulse that indicates each time the encoder wheel has made one complete revolution. Figure 10-110 shows an example of the two sets of pulses that are offset. Since the two sets of pulses are out of phase from each other, it is possible to determine which direction the shaft is rotating by the amount of phase shift between the first set and second set of pulses. The first set of pulses are called the A pulses, and the second set of pulses are called the B pulses. A third light source is used to detect a single pulse that appears once per revolution.
(a) Rotary Incremental Optical Encoder
FIGURE 10-109 (a) Internal operation of incremental optical encoder. (b) Examples of optical rotary encoders.
FIGURE 10-110 Examples of the A pulse, B pulse, and the command pulse. If the A pulse occurs before the B pulse, the shaft is turning clockwise, and if the B pulse occurs before the A pulse, the shaft is turning counterclockwise. The C pulse occurs once per revolution.
This pulse is called the command pulse, which is used to count revolutions of the shaft where the encoder is connected.
Since the incremental encoder provides only a string of pulses, a home switch must be used with this type of encoder to ensure that the encoder is calibrated to the actual location of the home reference point. The early encoder wheels that were made from metal were not too useful as more resolution was needed. Today encoder wheels are made from clear glass that has opaque segments etched in them like bars. As the encoder wheel spins, the opaque segments block the light and where the glass is clear, light is allowed to pass. This provides a pulse train similar to the encoder wheel that has holes drilled in it. Typical glass encoders have from 100 to 6000 segments. This means that these encoders can provide 3.6° of resolution for the encoder with 100 segments and 0.06° of resolution for the encoder with 6000 segments. If the shaft of the encoder is connected to a drive shaft for a motor that is connected to a ball screw or a reduction gear, the number of degrees of resolution can be converted into linear position.
It would be impossible to drill hundreds of holes in the encoder wheel to get the higher amounts of resolution because the wheel would not have enough material remaining to give the wheel strength. For this reason modern encoder wheels with high resolution use etched glass wheels. The glass is etched with chemicals to produce alternating opaque segments.
The second pulse train is developed in this type of encoder by placing a second light source and second light receiver at a different angle from the first set. Since the location of the second light source is different from the first, the second pulse train will be shifted from the first just as if two separate sets of holes were drilled. This arrangement allows the encoder wheel to provide both incremental and direction of rotation information with only one set of opaque bars etched in the glass. The second pulse train is used to determine the direction of rotation for the encoder wheel.
Figure 10-111 shows an example of the etched glass encoder and a diagram of the light source and receiver. From this figure you can see that the glass encoder looks as if it has very thin black lines drawn on it. The black lines are the opaque segments that block light. The diagram from this figure shows only one light source and receiver. A second identical light source and receiver is mounted on the encoder in such a way that it produces the offset pulse train.
Absolute Encoders
One of the major drawbacks of the incremental encoder is that the number of pulses that are counted are stored in a buffer or external counter. If power loss occurs, the count will be lost. This means that if a machine with an encoder has its electricity turned off each night or for maintenance, the encoder will not know its exact position when power is restored. The encoder must use a home-detection switch to indicate the correct machine position. The incremental encoder uses a homing routine that forces the motor to move until a home limit switch is activated. When the home limit switch is activated, the buffer or counter is zeroed and the system knows where it is relative to fixed positional points.
Incremental Encoder Internal Construction
FIGURE 10-111 Example of an etched glass incremental encoder wheel.
Pulse Train for Incremental Encoder
The absolute encoder is designed to correct this problem. It is designed in such a way that the machine will always know its location. Figure 10-112 shows an example of an absolute encoder. From this figure you can see that this type of encoder has alternating opaque and transparent segments like the incremental encoder, but the absolute encoder uses multiple groups of segments that form concentric circles on the encoder wheel like a "bull's eye" on a target or dartboard. The concentric circles start in the middle of the encoder wheel and as the rings go out toward the outside of the ring they each have double the number of segments than the previous inner ring. The first ring, which is the innermost ring, has one transparent and one opaque segment. The second ring out from the middle has two transparent and two opaque segments, and the third ring has four of each segment. If the encoder has 10 rings, its outermost ring will have 512 segments, and if it has 16 rings it will have 32,767 segments.
Since each ring of the absolute encoder has double the number of segments of the prior ring, the values form numbers for a binary counting system. In this type of encoder there will be a light source and receiver for every ring on the encoder wheel. This means that the encoder with 10 rings has 10 sets of light sources and receivers, and the encoder with 16 rings has 16 light sources and receivers.
The advantage of the absolute encoder is that it can be geared down so that the encoder wheel makes one revolution during the full length of machine travel. If the length of machine travel is 10 inches and its encoder has 16-bit resolution, the resolution of the machine will be 10/65,536, which is 0.00015 inch. If the travel for the machine is longer, such as 6 feet, a coarse resolver can keep track of each foot of travel, and a second resolver called the fine resolver can keep track of the position within 1 foot. This means the coarse encoder can be geared so that it makes one revolution over the entire 6-foot distance, while the fine encoder is geared so that its entire resolution is spread across 1 foot (12 inches).
Absolute Optical Encoder Internal Construction
FIGURE 10-112 Example of an absolute encoder wheel that shows the pattern of concentric circles. This diagram also shows the location of 16 light sources and 16 light receivers that decode the pattern of light as it passes through the 16 concentric circle patterns.
Since the absolute encoder produces only one distinct number or bit pattern for each position within its range, it knows where it is at every point between the two ends of its travel, and it does not need to be homed to the machine each time its power is turned off and on.
磁性编码器原理
A magnetic encoder consists of a rotating gear made of ferrous metal and a magnetic pick-up that contains a permanent magnet and the sensing element. The gear, which is mounted on the rotating shaft, has precisely machined teeth that provide the code pattern. As the disk rotates, these teeth disturb the magnetic flux emitted by the permanent magnet, causing the flux field to expand and collapse. These changes in the field are sensed by the sensing element, which generates a corresponding digital or pulse signal output.
Two kinds of magnetic pick-ups exist:
Hall effect -- pick-ups use a semiconducting sensing element that relies on the Hall effect to generate a pulse for every gear tooth that passes the pickup.
Variable reluctance -- pick-ups use a simple coil of wire in the magnetic field. As the gear teeth pass by the pick-up and disturb the flux, they cause a change in the reluctance of the gear/magnet system. This induces a voltage pulse in the sensing coil that is proportional to the rate flux change.
直线磁性尺
The principle of digitizing in a magnetic encoder is similar to that used in optical and in contact devices. The carriers of the digital code marks are ferromagnetic disks or strips with a pattern of magnetized and nonmagnetized areas. A magnetic head responding to the magnetization is in close proximity to the moving parts and produces "0" or "1" pulses when magnetized or nonmagnetized areas pass the head. A contemporary technique allows the inscription of the magnetic pattern very precisely, providing a high resolution for the transducer.
Magnetic Encoder. f = displacement, 1 = magnetic strip, 2 = magnetized area, 3 = nonmagnetized area, 4 = magnetic head.
光电编码器原理
The most popular type of encoder is the optical encoder, which consists of a rotating disk, a light source, and a photodetector (light sensor). The disk, which is mounted on the rotating shaft, has coded patterns of opaque and transparent sectors. As the disk rotates, these patterns interrupt the light emitted onto the photodetector, generating a digital or pulse signal output.
The encoding disk is made from:
Glass, for high-resolution applications (11 to >16 bits)
Plastic (Mylar) or metal, for applications requiring more rugged construction (resolution of 8 to 10 bits)
积分编码器原理
The most common type of incremental encoder uses two output channels (A and B) to sense position. Using two code tracks with sectors positioned 90 degrees out of phase, the two output channels of the quadrature encoder indicate both position and direction of rotation. If A leads B, for example, the disk is rotating in a clockwise direction. If B leads A, then the disk is rotating in a counter-clockwise direction.
By monitoring both the number of pulses and the relative phase of signals A and B, you can track both the position and direction of rotation.
Some quadrature encoders also include a third output channel, called a zero or index or reference signal, which supplies a single pulse per revolution. This single pulse is used for precise determination of a reference position.
旋转变压器和解角器(RESOLVER)原理
Similar to the inductive transducer, a transformer transducer contains coils. The change in the magnetic circuit of the transduction element due to the motion of the sensing shaft provides a change in the mutual inductances between the coils. As a result, a voltage proportional to the change in the circuit is induced in the output coil. Two types of transducers are popular in this measuring technique: LVDT and RVDT. LVDT denotes a linear variable differential transformer, and RVDT denotes a rotary variable differential transformer.
Transformer transducer, a = LVDT, b = RVDT. Uex = excitation voltage, Uo = output voltage, 1 = excitation coil, 2 = output coil, 3 = moving core or armature, 4 = sensing shaft.
RESOLVERS
A resolver is an absolute position feedback device which operates as described below.
The stator is made up of two windings, winding A and winding B. Winding A is positioned at a right angle to winding B. The rotor is made up of a third winding, winding C. This is energized with a sinusoidal voltage and allowed to rotate. The signal in winding C induces a signal in both windings A and B. Rotating winding C causes the magnitude of the induced signals to vary as a function of the angular position. The voltage induced in A is in quadrature to the voltage induced in B. Each position along the rotation produces a different value for the combination of A and B. This is illustrated in the following image:
Output from phase A is typically Vi * sin(wt + ph) and the output from phase B is typically Vi * cos( wt + ph). Where
Vi = Voltage in
w = Angular frequency
t = time
ph = phase shift
Using the output of the two windings gives an absolute position, since each position has a different combination of A and B. The frequency also changes with the velocity, the velocity can also be determined.
The data output from the two phases is usually converted from analog to digital by means of a resolver-to-digital converter.
You can typically achieve a resolution up to 65,536 counts per revolution using resolvers.
Linear and Rotary Encoders
An encoder is an electrical mechanical device that can monitor motion or position. A typical encoder uses optical sensors to provide a series of pulses that can be translated into motion, position, or direction. Figure 10-109 shows a diagram and picture of rotary encoders. The diagram in Fig. 10-109b shows that the disk is very thin, and a stationary light-emitting diode (LED) is mounted so that its light will continually be focused through the glass disk. A light-activated transistor is mounted on the other side of the disk so that it can detect the light from the LED. The disk is mounted to the shaft of a motor or other device whose position is being sensed, so that when the shaft turns, the disk turns. When the disk lines up so the light from the LED is focused on the phototransistor, the phototransistor will go into saturation and an electrical square wave pulse will be produced. This figure shows an example of the square wave pulses that are produced by the rotary encoder. This type of disk was used in early applications but the size of the holes in the metal disk limited the amount of accuracy that could be obtained. As more holes were cut in the disk, it became too fragile for industrial use.
FIGURE 10-108 Example of Hall-effect switches. These switches are used for positioning applications such as indicating when a door is open or closed or if a safety guard is in place.
Incremental Rotary Encoder
An encoder with one set of pulses would not be useful since it could not indicate the direction of rotation. Most incremental encoders have a second set of pulses that is offset (out of phase) from the first set of pulses, and a single pulse that indicates each time the encoder wheel has made one complete revolution. Figure 10-110 shows an example of the two sets of pulses that are offset. Since the two sets of pulses are out of phase from each other, it is possible to determine which direction the shaft is rotating by the amount of phase shift between the first set and second set of pulses. The first set of pulses are called the A pulses, and the second set of pulses are called the B pulses. A third light source is used to detect a single pulse that appears once per revolution.
(a) Rotary Incremental Optical Encoder
FIGURE 10-109 (a) Internal operation of incremental optical encoder. (b) Examples of optical rotary encoders.
FIGURE 10-110 Examples of the A pulse, B pulse, and the command pulse. If the A pulse occurs before the B pulse, the shaft is turning clockwise, and if the B pulse occurs before the A pulse, the shaft is turning counterclockwise. The C pulse occurs once per revolution.
This pulse is called the command pulse, which is used to count revolutions of the shaft where the encoder is connected.
Since the incremental encoder provides only a string of pulses, a home switch must be used with this type of encoder to ensure that the encoder is calibrated to the actual location of the home reference point. The early encoder wheels that were made from metal were not too useful as more resolution was needed. Today encoder wheels are made from clear glass that has opaque segments etched in them like bars. As the encoder wheel spins, the opaque segments block the light and where the glass is clear, light is allowed to pass. This provides a pulse train similar to the encoder wheel that has holes drilled in it. Typical glass encoders have from 100 to 6000 segments. This means that these encoders can provide 3.6° of resolution for the encoder with 100 segments and 0.06° of resolution for the encoder with 6000 segments. If the shaft of the encoder is connected to a drive shaft for a motor that is connected to a ball screw or a reduction gear, the number of degrees of resolution can be converted into linear position.
It would be impossible to drill hundreds of holes in the encoder wheel to get the higher amounts of resolution because the wheel would not have enough material remaining to give the wheel strength. For this reason modern encoder wheels with high resolution use etched glass wheels. The glass is etched with chemicals to produce alternating opaque segments.
The second pulse train is developed in this type of encoder by placing a second light source and second light receiver at a different angle from the first set. Since the location of the second light source is different from the first, the second pulse train will be shifted from the first just as if two separate sets of holes were drilled. This arrangement allows the encoder wheel to provide both incremental and direction of rotation information with only one set of opaque bars etched in the glass. The second pulse train is used to determine the direction of rotation for the encoder wheel.
Figure 10-111 shows an example of the etched glass encoder and a diagram of the light source and receiver. From this figure you can see that the glass encoder looks as if it has very thin black lines drawn on it. The black lines are the opaque segments that block light. The diagram from this figure shows only one light source and receiver. A second identical light source and receiver is mounted on the encoder in such a way that it produces the offset pulse train.
Absolute Encoders
One of the major drawbacks of the incremental encoder is that the number of pulses that are counted are stored in a buffer or external counter. If power loss occurs, the count will be lost. This means that if a machine with an encoder has its electricity turned off each night or for maintenance, the encoder will not know its exact position when power is restored. The encoder must use a home-detection switch to indicate the correct machine position. The incremental encoder uses a homing routine that forces the motor to move until a home limit switch is activated. When the home limit switch is activated, the buffer or counter is zeroed and the system knows where it is relative to fixed positional points.
Incremental Encoder Internal Construction
FIGURE 10-111 Example of an etched glass incremental encoder wheel.
Pulse Train for Incremental Encoder
The absolute encoder is designed to correct this problem. It is designed in such a way that the machine will always know its location. Figure 10-112 shows an example of an absolute encoder. From this figure you can see that this type of encoder has alternating opaque and transparent segments like the incremental encoder, but the absolute encoder uses multiple groups of segments that form concentric circles on the encoder wheel like a "bull's eye" on a target or dartboard. The concentric circles start in the middle of the encoder wheel and as the rings go out toward the outside of the ring they each have double the number of segments than the previous inner ring. The first ring, which is the innermost ring, has one transparent and one opaque segment. The second ring out from the middle has two transparent and two opaque segments, and the third ring has four of each segment. If the encoder has 10 rings, its outermost ring will have 512 segments, and if it has 16 rings it will have 32,767 segments.
Since each ring of the absolute encoder has double the number of segments of the prior ring, the values form numbers for a binary counting system. In this type of encoder there will be a light source and receiver for every ring on the encoder wheel. This means that the encoder with 10 rings has 10 sets of light sources and receivers, and the encoder with 16 rings has 16 light sources and receivers.
The advantage of the absolute encoder is that it can be geared down so that the encoder wheel makes one revolution during the full length of machine travel. If the length of machine travel is 10 inches and its encoder has 16-bit resolution, the resolution of the machine will be 10/65,536, which is 0.00015 inch. If the travel for the machine is longer, such as 6 feet, a coarse resolver can keep track of each foot of travel, and a second resolver called the fine resolver can keep track of the position within 1 foot. This means the coarse encoder can be geared so that it makes one revolution over the entire 6-foot distance, while the fine encoder is geared so that its entire resolution is spread across 1 foot (12 inches).
Absolute Optical Encoder Internal Construction
FIGURE 10-112 Example of an absolute encoder wheel that shows the pattern of concentric circles. This diagram also shows the location of 16 light sources and 16 light receivers that decode the pattern of light as it passes through the 16 concentric circle patterns.
Since the absolute encoder produces only one distinct number or bit pattern for each position within its range, it knows where it is at every point between the two ends of its travel, and it does not need to be homed to the machine each time its power is turned off and on.
磁性编码器原理
A magnetic encoder consists of a rotating gear made of ferrous metal and a magnetic pick-up that contains a permanent magnet and the sensing element. The gear, which is mounted on the rotating shaft, has precisely machined teeth that provide the code pattern. As the disk rotates, these teeth disturb the magnetic flux emitted by the permanent magnet, causing the flux field to expand and collapse. These changes in the field are sensed by the sensing element, which generates a corresponding digital or pulse signal output.
Two kinds of magnetic pick-ups exist:
Hall effect -- pick-ups use a semiconducting sensing element that relies on the Hall effect to generate a pulse for every gear tooth that passes the pickup.
Variable reluctance -- pick-ups use a simple coil of wire in the magnetic field. As the gear teeth pass by the pick-up and disturb the flux, they cause a change in the reluctance of the gear/magnet system. This induces a voltage pulse in the sensing coil that is proportional to the rate flux change.
直线磁性尺
The principle of digitizing in a magnetic encoder is similar to that used in optical and in contact devices. The carriers of the digital code marks are ferromagnetic disks or strips with a pattern of magnetized and nonmagnetized areas. A magnetic head responding to the magnetization is in close proximity to the moving parts and produces "0" or "1" pulses when magnetized or nonmagnetized areas pass the head. A contemporary technique allows the inscription of the magnetic pattern very precisely, providing a high resolution for the transducer.
Magnetic Encoder. f = displacement, 1 = magnetic strip, 2 = magnetized area, 3 = nonmagnetized area, 4 = magnetic head.
光电编码器原理
The most popular type of encoder is the optical encoder, which consists of a rotating disk, a light source, and a photodetector (light sensor). The disk, which is mounted on the rotating shaft, has coded patterns of opaque and transparent sectors. As the disk rotates, these patterns interrupt the light emitted onto the photodetector, generating a digital or pulse signal output.
The encoding disk is made from:
Glass, for high-resolution applications (11 to >16 bits)
Plastic (Mylar) or metal, for applications requiring more rugged construction (resolution of 8 to 10 bits)
积分编码器原理
The most common type of incremental encoder uses two output channels (A and B) to sense position. Using two code tracks with sectors positioned 90 degrees out of phase, the two output channels of the quadrature encoder indicate both position and direction of rotation. If A leads B, for example, the disk is rotating in a clockwise direction. If B leads A, then the disk is rotating in a counter-clockwise direction.
By monitoring both the number of pulses and the relative phase of signals A and B, you can track both the position and direction of rotation.
Some quadrature encoders also include a third output channel, called a zero or index or reference signal, which supplies a single pulse per revolution. This single pulse is used for precise determination of a reference position.
旋转变压器和解角器(RESOLVER)原理
Similar to the inductive transducer, a transformer transducer contains coils. The change in the magnetic circuit of the transduction element due to the motion of the sensing shaft provides a change in the mutual inductances between the coils. As a result, a voltage proportional to the change in the circuit is induced in the output coil. Two types of transducers are popular in this measuring technique: LVDT and RVDT. LVDT denotes a linear variable differential transformer, and RVDT denotes a rotary variable differential transformer.
Transformer transducer, a = LVDT, b = RVDT. Uex = excitation voltage, Uo = output voltage, 1 = excitation coil, 2 = output coil, 3 = moving core or armature, 4 = sensing shaft.
RESOLVERS
A resolver is an absolute position feedback device which operates as described below.
The stator is made up of two windings, winding A and winding B. Winding A is positioned at a right angle to winding B. The rotor is made up of a third winding, winding C. This is energized with a sinusoidal voltage and allowed to rotate. The signal in winding C induces a signal in both windings A and B. Rotating winding C causes the magnitude of the induced signals to vary as a function of the angular position. The voltage induced in A is in quadrature to the voltage induced in B. Each position along the rotation produces a different value for the combination of A and B. This is illustrated in the following image:
Output from phase A is typically Vi * sin(wt + ph) and the output from phase B is typically Vi * cos( wt + ph). Where
Vi = Voltage in
w = Angular frequency
t = time
ph = phase shift
Using the output of the two windings gives an absolute position, since each position has a different combination of A and B. The frequency also changes with the velocity, the velocity can also be determined.
The data output from the two phases is usually converted from analog to digital by means of a resolver-to-digital converter.
You can typically achieve a resolution up to 65,536 counts per revolution using resolvers.
发表于：2006-10-24 09:33:00
74楼
转:旋转编码器的抗抖动计数电路
摘 要： 旋转编码器应用于角度定位或测量时，由于旋转轴的晃动可能引起编码器输出波形的抖动，从而引发误计数现象。介绍了一个抗抖动计数电路，滤除了旋转编码器因抖动而造成的误计数。
关键词： 旋转编码器 抗抖动电路 数字电路
旋转编码器应用于角度定位或测量时，通常有A、B、Z三相输出。旋转编码器的输出波形见图1。
A相和B相输出占空比为50％的方波。编码器每转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲(如100个脉冲)。当编码器正向旋转时，A相比B相超前四分之一个周期；当编码器反向旋转时，B相比A相超前四分之一个周期。A相和B相输出方波的相位差为90±45°。编码器每转一周，Z相输出一个脉冲。由于编码器每转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲，则A相或B相每输出一个脉冲，表示编码器旋转了一个固定的角度。当Z相输出一个脉冲时，表示编码器旋转了一周。因此旋转编码器可以测量角位移及位移方向。
问题出在伺服系统停止工作时，若无锁定，则旋转轴受外力(如风力影响)可能自由晃动，因而引起编码器输出波形抖动，如图2所示，
从而引起误计数。在这种情况下，就不能对波形进行正确计数。虽然可以通过软件设置标志状态，用记录历史状态的变化来滤除误计数，但是程序耗费颇大。因此，本人设计了一个抗抖动计数电路，它能够自动消除抖动造成的误计数。
1 抗抖动计数电路原理图
图3是抗抖动计数电路原理图。
此电路滤除了旋转编码器输出波形的抖动现象。该电路分为四个部分：译码电路U4A；互锁电路U5A、U5B；正旋计数链J1、J3、J5和反旋计数链J2、J4、J6。U4A为二四译码器，U5A、U5B为与门，J1~J6为D触发器。正旋计数链负责对编码器正向旋转的计数，反旋计数链负责对编码器反向旋转的计数。
2 抗抖动计数电路工作分析
图4为二四译码器输出的波形
译码器产生d、a、b、c四种不同的状态。在图3中当B=0、A=0时，译码器 Q0输出为d状态，d状态为高电平。当B=0、A=1时，译码器Q1输出为a状态，a状态为高电平。当B=1、A=1时，译码器 Q2输出为b状态，b状态为高电平。b状态不影响计数和方向确定，在图3电路中没有使用。当B=1、A=0时，译码器Q3输出为c状态，c状态为高电平。
当旋转编码器正向旋转时，译码器输出的状态顺序为d、a、b、c、d、a、b、c……。如图4所示。当B=0、A=0时，进入d状态，与门U5A的Pin2=a=0(Pin是管脚的意思)，于是U5A的输出Pin3=0。D触发器J1的R=d=1、S=0，因此J1被清0。与门U5B的Pin5=c=0，于是U5B的输出Pin4=0。D触发器J2的R=d=1、S=0，因此J2也被清0。这时J1、J2的端都为1，与门U5的 Pin1=Pin6=1，U5A和U5B都处于等待开门状态。当进入状态a时，Q1=a=1，U5A的Pin2=a=1。由于c=0所以J2的端仍为1，U5A的Pin1=1U5A的输出Pin3=1。J1的R=d=0、S=1，因此J1被置1。J1的Q=1，=０。J1的Q=1，正旋标志送到了J3的D端。同时J1的端关闭了U5B。在下一个d出现之前，所有的c脉冲都不会改变J2的状态。这就是说，J1、J3、J5组成的正旋计数链被打开，J2、J4、J6组成的反旋计数链被阻断。U5A、U5B、J1、J2完成互锁的功能。在进入状态a时，J3的R=a=1、S=0，J3被清0，J5的R=a=1、S=0，J5被清0。在进入状态c前，J3的R=ａ=0、S=0、D=1，J3处于待触发状态。J3的CLK=c，当c脉冲上升沿过后，D=1被打入J3的Q端，正旋标志送到了J5的D端。在进入状态d前，J5的R=a=0、S=0，J5处于待触发状态。J5的CLK=d，当d脉冲上升沿过后，D=1被打入J5的Q端，正旋标志送到了正旋计数输出端。正旋计数输出端由低电平变为高电平。到此为止，完成了一次正旋计数。当由状态d进入状态a时，J5的R=a=1、S=0，J5被清0，正旋计数输出端由高电平变为低电平。由此可知，当旋转编码器正向旋转时，对应A相和B相的每一个完整周期，正旋计数输出端都会产生相应的一个脉冲。
a的出现抢到了正旋计数权。只有在d重新出现后，脉冲c才可能有机会抢到反旋计数权。从而保证了一旦进入正旋计数状态，不全完成这一过程，就进入不了反旋计数状态。运行时有可能从状态a返回状态d，结果这只不过释放正旋计数权。因这时正旋标志还只在J3输入端上，a出现时已把J3清0。d状态只会把0送给J5的Q端，因此不会产生误计数。
当旋转编码器反向旋转时，译码器输出的状态顺序为d、c、b、a、d、c、b、a……。这种情况的分析方法与正向旋转的分析方法相同，这里不再叙述。
这就好比接力赛。在一个只允许上一个人的封闭的环形跑道上依次均匀设d、a、b、c四个站，立四个裁判员。d点为起止点、出入口，持棒运动员沿环形跑道一站站往下跑。d裁判长的职责是：运动员往a去(顺行)，告示："有人，正向"；往c去(逆行)，告示："有人，反相"。其他裁判员的职责是给到达本站的运动员发签证(计数标志)，往回跑，撤销签证。d裁判长的计分规则是：凭其他裁判的签证齐全加牌示，正，加一分，反，减一分，然后撤销签证。签证不齐到d，则不计分，撤销签证。运动员在跑道内来回跑或坐时，d裁判视而不见。
例如在图2中，当从状态d进入状态a时，正旋标志送到J3的D端。此后的a、b、a、b、a、b都不起作用，只是把J3和J5反复清0。当从状态b进入状态c时，正旋标志送到J5的D端。当从状态c进入状态d时，正旋标志送到正旋计数输出端，同时J1和J2被清零。在从状态d进入状态c后，反旋标志送到J4的D端。同时，D=0被打入J3的Q端，这时J5的D端为零。在从状态c回到状态d后，反旋计数权被释放。但是，由于J5的D端为零，虽然这里再次出现状态d，该d脉冲不会发生计数，这就是抗抖动。
图5为抗抖动计数电路的输出波形。此电路计数频率可达10MHz。A相和B相输入前应予整形，必要时还要进行光电隔离。
摘 要： 旋转编码器应用于角度定位或测量时，由于旋转轴的晃动可能引起编码器输出波形的抖动，从而引发误计数现象。介绍了一个抗抖动计数电路，滤除了旋转编码器因抖动而造成的误计数。
关键词： 旋转编码器 抗抖动电路 数字电路
旋转编码器应用于角度定位或测量时，通常有A、B、Z三相输出。旋转编码器的输出波形见图1。
A相和B相输出占空比为50％的方波。编码器每转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲(如100个脉冲)。当编码器正向旋转时，A相比B相超前四分之一个周期；当编码器反向旋转时，B相比A相超前四分之一个周期。A相和B相输出方波的相位差为90±45°。编码器每转一周，Z相输出一个脉冲。由于编码器每转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲，则A相或B相每输出一个脉冲，表示编码器旋转了一个固定的角度。当Z相输出一个脉冲时，表示编码器旋转了一周。因此旋转编码器可以测量角位移及位移方向。
问题出在伺服系统停止工作时，若无锁定，则旋转轴受外力(如风力影响)可能自由晃动，因而引起编码器输出波形抖动，如图2所示，
从而引起误计数。在这种情况下，就不能对波形进行正确计数。虽然可以通过软件设置标志状态，用记录历史状态的变化来滤除误计数，但是程序耗费颇大。因此，本人设计了一个抗抖动计数电路，它能够自动消除抖动造成的误计数。
1 抗抖动计数电路原理图
图3是抗抖动计数电路原理图。
此电路滤除了旋转编码器输出波形的抖动现象。该电路分为四个部分：译码电路U4A；互锁电路U5A、U5B；正旋计数链J1、J3、J5和反旋计数链J2、J4、J6。U4A为二四译码器，U5A、U5B为与门，J1~J6为D触发器。正旋计数链负责对编码器正向旋转的计数，反旋计数链负责对编码器反向旋转的计数。
2 抗抖动计数电路工作分析
图4为二四译码器输出的波形
译码器产生d、a、b、c四种不同的状态。在图3中当B=0、A=0时，译码器 Q0输出为d状态，d状态为高电平。当B=0、A=1时，译码器Q1输出为a状态，a状态为高电平。当B=1、A=1时，译码器 Q2输出为b状态，b状态为高电平。b状态不影响计数和方向确定，在图3电路中没有使用。当B=1、A=0时，译码器Q3输出为c状态，c状态为高电平。
当旋转编码器正向旋转时，译码器输出的状态顺序为d、a、b、c、d、a、b、c……。如图4所示。当B=0、A=0时，进入d状态，与门U5A的Pin2=a=0(Pin是管脚的意思)，于是U5A的输出Pin3=0。D触发器J1的R=d=1、S=0，因此J1被清0。与门U5B的Pin5=c=0，于是U5B的输出Pin4=0。D触发器J2的R=d=1、S=0，因此J2也被清0。这时J1、J2的端都为1，与门U5的 Pin1=Pin6=1，U5A和U5B都处于等待开门状态。当进入状态a时，Q1=a=1，U5A的Pin2=a=1。由于c=0所以J2的端仍为1，U5A的Pin1=1U5A的输出Pin3=1。J1的R=d=0、S=1，因此J1被置1。J1的Q=1，=０。J1的Q=1，正旋标志送到了J3的D端。同时J1的端关闭了U5B。在下一个d出现之前，所有的c脉冲都不会改变J2的状态。这就是说，J1、J3、J5组成的正旋计数链被打开，J2、J4、J6组成的反旋计数链被阻断。U5A、U5B、J1、J2完成互锁的功能。在进入状态a时，J3的R=a=1、S=0，J3被清0，J5的R=a=1、S=0，J5被清0。在进入状态c前，J3的R=ａ=0、S=0、D=1，J3处于待触发状态。J3的CLK=c，当c脉冲上升沿过后，D=1被打入J3的Q端，正旋标志送到了J5的D端。在进入状态d前，J5的R=a=0、S=0，J5处于待触发状态。J5的CLK=d，当d脉冲上升沿过后，D=1被打入J5的Q端，正旋标志送到了正旋计数输出端。正旋计数输出端由低电平变为高电平。到此为止，完成了一次正旋计数。当由状态d进入状态a时，J5的R=a=1、S=0，J5被清0，正旋计数输出端由高电平变为低电平。由此可知，当旋转编码器正向旋转时，对应A相和B相的每一个完整周期，正旋计数输出端都会产生相应的一个脉冲。
a的出现抢到了正旋计数权。只有在d重新出现后，脉冲c才可能有机会抢到反旋计数权。从而保证了一旦进入正旋计数状态，不全完成这一过程，就进入不了反旋计数状态。运行时有可能从状态a返回状态d，结果这只不过释放正旋计数权。因这时正旋标志还只在J3输入端上，a出现时已把J3清0。d状态只会把0送给J5的Q端，因此不会产生误计数。
当旋转编码器反向旋转时，译码器输出的状态顺序为d、c、b、a、d、c、b、a……。这种情况的分析方法与正向旋转的分析方法相同，这里不再叙述。
这就好比接力赛。在一个只允许上一个人的封闭的环形跑道上依次均匀设d、a、b、c四个站，立四个裁判员。d点为起止点、出入口，持棒运动员沿环形跑道一站站往下跑。d裁判长的职责是：运动员往a去(顺行)，告示："有人，正向"；往c去(逆行)，告示："有人，反相"。其他裁判员的职责是给到达本站的运动员发签证(计数标志)，往回跑，撤销签证。d裁判长的计分规则是：凭其他裁判的签证齐全加牌示，正，加一分，反，减一分，然后撤销签证。签证不齐到d，则不计分，撤销签证。运动员在跑道内来回跑或坐时，d裁判视而不见。
例如在图2中，当从状态d进入状态a时，正旋标志送到J3的D端。此后的a、b、a、b、a、b都不起作用，只是把J3和J5反复清0。当从状态b进入状态c时，正旋标志送到J5的D端。当从状态c进入状态d时，正旋标志送到正旋计数输出端，同时J1和J2被清零。在从状态d进入状态c后，反旋标志送到J4的D端。同时，D=0被打入J3的Q端，这时J5的D端为零。在从状态c回到状态d后，反旋计数权被释放。但是，由于J5的D端为零，虽然这里再次出现状态d，该d脉冲不会发生计数，这就是抗抖动。
图5为抗抖动计数电路的输出波形。此电路计数频率可达10MHz。A相和B相输入前应予整形，必要时还要进行光电隔离。
发表于：2006-10-24 09:38:00
75楼
转:PLC和变频器--光电编码器的特性及应用
摘要：文中简介了光电编码器的工作原理，阐述了光电编码器的分类及其特性，列举了光电编码器的应用电路，分析了光电编码器应用中的问题并提出改进措施。
1.光电编码器的工作原理
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1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90º的两路脉冲信号。
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。
1.1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90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z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。
1.2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16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：
1.2.1可以直接读出角度坐标的绝对值；
1.2.2没有累积误差；
1.2.3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10位、14位等多种。
1.3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。
2. 光电编码器的应用电路
2.1 xxx品牌光电编码器的应用xxx品牌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xxx品牌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360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2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1个D触发器和2个与非门组成，计数电路用3片74LS193组成。500){this.resized=true;this.style.width=500;}">500)this.width=500" border=0>
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90°，D触发器输出Q(波形W1)为高电平，Q(波形W2)为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过(波形W3)，送至双向计数器74LS193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W4)。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90°，D触发器输出Q(波形W1)为低电平，Q(波形W2)为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平(波形W3)；此时，下面与非门打开，计数脉冲通过(波形W4)，送至双向计数器74LS193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360个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉冲数为900个；实际使用的计数电路用3片74LS193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800H，即2048(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2048～2948，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为2048～1148；计数电路的数据输出D0～D11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2048，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2048，可对计数电路进行复位，并重新设置初值。
2.2 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90°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A，B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3（a）可见，当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时 ，A道脉冲比B道滞后π/2。图3（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π/ N，可计数脉冲为2N倍光栅数，现在N=2。图3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）。
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图4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4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74LS175的第2、7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4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1000的编码器可产生4倍频的脉冲数是4000个，其分辨率为0.09°。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(74159是4-16译码器)。
3.应用中问题分析及改进措施
3.1应用中问题分析
光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场，在使用中暴露出许多缺陷，其有内在因素也有外在因素，主要表现在以下几个方面：
3.1.1发射装置或接受装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移，导致接收装置不能可靠的接收到光信号，而不能产生电信号。例如；光电编码器应用在轧钢调速系统中，因光电编码器是直接用螺栓固定在电动机的外壳上，光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动机转轴相连接，因电动机所带负载是冲击性负载，当轧机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动。经测定；过钢时光电编码器振动速度为2.6mm/s，这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能。造成误发脉冲，从而导致控制系统不稳定或误动作，导致事故发生。
3.1.2因光电检测装置安装在生产现场，受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠的工作。如安装部位温度高、湿度大，导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。例如在连铸机送引锭跟踪系统，由于光电检测装置安装的位置靠近铸坯，环境温度高而导致光电检测装置误发出信号或损坏，而引发生产或人身事故。
3.1.3生产现场的各种电磁干扰源，对光电检测装置产生的干扰，导致光电检测装置输出波形发生畸变失真，使系统误动或引发生产事故。例如；光电检测装置安装在生产设备本体，其信号经电缆传输至控制系统的距离一般在20—100米，传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电缆，但由于电缆的导线电阻及线间电容的影响再加上和其它电缆同在一起敷设，极易受到各种电磁干扰的影响，因此引起波形失真，从而使反馈到调速系统的信号与实际值的偏差，而导致系统精度下降。
3.2改进措施
3.2.1改变光电编码器的安装方式。光电编码器不在安装在电动机外壳上，而是在电动机的基础上制作一固定支架来独立安装光电编码器，光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度，两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接，以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲击。采用此方式后经测振仪检测，其振动速度降至1.2mm/s。
3.2.2合理选择光电检测装置输出信号传输介质，采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性，一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力，因为空间电磁场在线上产生的干扰电流可以互相抵消。双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小，两线对干扰线路的距离基本相等，两线对屏蔽网的分布电容也基本相同，这对抑制共模干扰效果更加明显。
3.2.3利用PLC软件监控或干涉。在连铸生产的送引锭过程要求光电检测装置产生有时序性的电信号，同时，该信号与整个过程不同阶段相对应。如图5。
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① 送引锭过程启动前，光电信号1为“1”。②送引锭过程启动后，在A阶段，辊道启动，引锭杆上送。当引锭杆挡住光电装置发射出的红外光时，光电信号为“0”；当红外光透过引锭杆中部2个小圆孔时，光电装置发出信号2和3，均为“1”。
② ③送引锭过程在B阶段，光电信号为“0”，辊道停下，引锭杆暂停上送，扇形10段压下，启动拉矫机和“同步1”，引锭杆继续上送。
③ ④送引锭过程在C阶段，引锭杆上送，并不再挡住红外光，光电信号4为“1”，启动“同步2”，停下“同步1”，引锭杆继续上送。至此光电装置工作过程结束。
④ 根据光检测电装置的工作过程，只要现场测定送引锭过程中各个光电信号发生的时间，结合送引锭过程与光电信号的关系，利用PLC应用程序中的相关数据，编制符合要求的PLC程序，将PLC程序输出信号输入至PLC的输入模块，替代原光电信号的输入信号。其程序框图如图6所示。
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4.结语光电检测装置本身是由电子元器件构成，它对安装环境有一定的技术要求，特别是在较恶劣环境下使用，要采取相应的保护措施，以使光电检测装置工作在其产品要求的技术条件下，才能发挥装置的技术性能。否则光电检测装置的使用寿命及其工作的可靠性都将受到不同程度的影响。结合光电检测装置在生产过程控制中的应用实践，在控制系统设计中；不宜采用光电检测装置的信号作为重要的控制信号，以避免光电装置突然损坏或工作不稳定（环境高温、湿度大、机械振动、外力碰创等）引起其它设备事故。在控制系统中应用PLC程序实适进行过程控制的监控或干涉，以克服了因系统中采用光电装置而存在的各种缺陷，是提高系统可靠性的有效途径。
摘要：文中简介了光电编码器的工作原理，阐述了光电编码器的分类及其特性，列举了光电编码器的应用电路，分析了光电编码器应用中的问题并提出改进措施。
1.光电编码器的工作原理
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1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90º的两路脉冲信号。
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。
1.1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90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z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。
1.2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16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：
1.2.1可以直接读出角度坐标的绝对值；
1.2.2没有累积误差；
1.2.3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10位、14位等多种。
1.3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。
2. 光电编码器的应用电路
2.1 xxx品牌光电编码器的应用xxx品牌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xxx品牌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360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2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1个D触发器和2个与非门组成，计数电路用3片74LS193组成。500){this.resized=true;this.style.width=500;}">500)this.width=500" border=0>
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90°，D触发器输出Q(波形W1)为高电平，Q(波形W2)为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过(波形W3)，送至双向计数器74LS193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W4)。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90°，D触发器输出Q(波形W1)为低电平，Q(波形W2)为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平(波形W3)；此时，下面与非门打开，计数脉冲通过(波形W4)，送至双向计数器74LS193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360个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉冲数为900个；实际使用的计数电路用3片74LS193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800H，即2048(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2048～2948，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为2048～1148；计数电路的数据输出D0～D11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2048，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2048，可对计数电路进行复位，并重新设置初值。
2.2 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90°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A，B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3（a）可见，当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时 ，A道脉冲比B道滞后π/2。图3（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π/ N，可计数脉冲为2N倍光栅数，现在N=2。图3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）。
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图4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4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74LS175的第2、7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4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1000的编码器可产生4倍频的脉冲数是4000个，其分辨率为0.09°。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(74159是4-16译码器)。
3.应用中问题分析及改进措施
3.1应用中问题分析
光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场，在使用中暴露出许多缺陷，其有内在因素也有外在因素，主要表现在以下几个方面：
3.1.1发射装置或接受装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移，导致接收装置不能可靠的接收到光信号，而不能产生电信号。例如；光电编码器应用在轧钢调速系统中，因光电编码器是直接用螺栓固定在电动机的外壳上，光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动机转轴相连接，因电动机所带负载是冲击性负载，当轧机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动。经测定；过钢时光电编码器振动速度为2.6mm/s，这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能。造成误发脉冲，从而导致控制系统不稳定或误动作，导致事故发生。
3.1.2因光电检测装置安装在生产现场，受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠的工作。如安装部位温度高、湿度大，导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。例如在连铸机送引锭跟踪系统，由于光电检测装置安装的位置靠近铸坯，环境温度高而导致光电检测装置误发出信号或损坏，而引发生产或人身事故。
3.1.3生产现场的各种电磁干扰源，对光电检测装置产生的干扰，导致光电检测装置输出波形发生畸变失真，使系统误动或引发生产事故。例如；光电检测装置安装在生产设备本体，其信号经电缆传输至控制系统的距离一般在20—100米，传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电缆，但由于电缆的导线电阻及线间电容的影响再加上和其它电缆同在一起敷设，极易受到各种电磁干扰的影响，因此引起波形失真，从而使反馈到调速系统的信号与实际值的偏差，而导致系统精度下降。
3.2改进措施
3.2.1改变光电编码器的安装方式。光电编码器不在安装在电动机外壳上，而是在电动机的基础上制作一固定支架来独立安装光电编码器，光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度，两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接，以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲击。采用此方式后经测振仪检测，其振动速度降至1.2mm/s。
3.2.2合理选择光电检测装置输出信号传输介质，采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性，一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力，因为空间电磁场在线上产生的干扰电流可以互相抵消。双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小，两线对干扰线路的距离基本相等，两线对屏蔽网的分布电容也基本相同，这对抑制共模干扰效果更加明显。
3.2.3利用PLC软件监控或干涉。在连铸生产的送引锭过程要求光电检测装置产生有时序性的电信号，同时，该信号与整个过程不同阶段相对应。如图5。
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① 送引锭过程启动前，光电信号1为“1”。②送引锭过程启动后，在A阶段，辊道启动，引锭杆上送。当引锭杆挡住光电装置发射出的红外光时，光电信号为“0”；当红外光透过引锭杆中部2个小圆孔时，光电装置发出信号2和3，均为“1”。
② ③送引锭过程在B阶段，光电信号为“0”，辊道停下，引锭杆暂停上送，扇形10段压下，启动拉矫机和“同步1”，引锭杆继续上送。
③ ④送引锭过程在C阶段，引锭杆上送，并不再挡住红外光，光电信号4为“1”，启动“同步2”，停下“同步1”，引锭杆继续上送。至此光电装置工作过程结束。
④ 根据光检测电装置的工作过程，只要现场测定送引锭过程中各个光电信号发生的时间，结合送引锭过程与光电信号的关系，利用PLC应用程序中的相关数据，编制符合要求的PLC程序，将PLC程序输出信号输入至PLC的输入模块，替代原光电信号的输入信号。其程序框图如图6所示。
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4.结语光电检测装置本身是由电子元器件构成，它对安装环境有一定的技术要求，特别是在较恶劣环境下使用，要采取相应的保护措施，以使光电检测装置工作在其产品要求的技术条件下，才能发挥装置的技术性能。否则光电检测装置的使用寿命及其工作的可靠性都将受到不同程度的影响。结合光电检测装置在生产过程控制中的应用实践，在控制系统设计中；不宜采用光电检测装置的信号作为重要的控制信号，以避免光电装置突然损坏或工作不稳定（环境高温、湿度大、机械振动、外力碰创等）引起其它设备事故。在控制系统中应用PLC程序实适进行过程控制的监控或干涉，以克服了因系统中采用光电装置而存在的各种缺陷，是提高系统可靠性的有效途径。
发表于：2006-10-24 09:43:00
76楼
转:数控机床中光电脉冲编码器的维修
新闻摘要:在数控机床中，光电脉冲编码器作为速度和位置检测的元件，故障发生率较高，外在表现多种多样，我们在维修实践中，将有关光电脉冲编码器的故障给予归纳和分类，使故障更加明确。
1、简介
首先对光电脉冲编码器作一下简介。光电脉冲编码器可分为增量式和绝对式。所谓增量式即编码器转过角度就发出脉冲，查不出轴处于什么位置，只能记录得电后的脉冲数。机床失电后，不能记忆轴的位置。绝对式则能够记忆轴转过的角度和空间位置。依赖于一组或一个备用电池的支持，使机床失电后仍能保持记忆。当然编码器依据安装位置不同又可分为内装式和外装式，内装式和伺服电动机同轴安装，外装式则安装在传动链末端。编码器输出信号通常有两组相位差90度的方波信号用于辨向，一个零标志位（又称一转信号）， +5V 电源和接地端。绝对式还有备用电池连 接端。
2、 故障分类
故障分类如下：
（1）编码器本身故障:指编码器本身元器件出现故障，导致其不能产生和输出正确的波形。这种情况下需更换编码器或维修其内部器件。
（2）编码器连接电缆故障:这种故障出现的几率 最高，维修中经常遇到，应是优先考虑的因素。通常为编码器电缆断路、短路或接触不良，这时需更换电缆或接头。还应特别注意是否是由于电缆固定不紧，造成松动引起开焊或断路，这时需卡紧电缆。
（3）编码器+5V电源下降:是指+5V电源过低， 通常不能低于4.75V，造成过低的原因是供电电源故障或电源传送电缆阻值偏大而引起损耗，这时需检修电源或更换电缆。
（4）绝对式编码器电池电压下降:这种故障通常有含义明确的报警，这时需更换电池，如果考点位置记忆丢失，还须执行重回参考点操作。
（5）编码器电缆屏蔽线未接或脱落:这会引入干扰信号，使波形不稳定，影响通信的准确性，必须保证屏蔽线可靠的焊接及接地。
（6）编码器安装松动:这种故障会影响位置控制 精度，造成停止和移动中位置偏差量超差，甚至刚一开机即产生伺服系统过载报警，请特别注意。
（7）光栅污染 这会使信号输出幅度下降，必须用脱脂棉沾无水酒精轻轻擦除油污。
3、实例
下面以我们在维修中遇到的两例故障予以说明。
（1）实例一 故障现象：加工中心DHK40主轴定向时一直低速旋转。
故障分析和处理：这很显然是机床接收不到零标志信号，即一转信号。打开机床侧盖，拆下脉冲编码 器，发现脉冲编码器底部有一层粉末。完全拆开编码 器后发现圆光栅上的条纹已全部被磨光，当然发不出信号。更换新编码器后，一切正常。此时需修改主轴准停时停止位置偏移量参数，使定向位置与更换前相同。
（2）实例二 故障现象：xxxx专机开机后出现 123（绝对脉冲编码器）电压低故障。
故障分析和处理：该机床已闲置5年，采用FANUC 16系统，电池应该失效。更换4节1号碱性干电池后，机床又显示请求回参考点故障。此时在手动状态将机床移动到参考点附近，再将参数1815#5（APCX）#4（APZX）全部置0，关断一次电源后重新启动，坐标值全部显示为0。再将参数 1815#5（APCX）#4（APZX）全部置1，关断一次电源，再重启，一切正常。这样便给机床重新建立了参考点。
综上所述，脉冲编码器故障总体而言可分为编码 器本身故障和外围输入、输出故障，明确这两点许多问题就清晰了。
新闻摘要:在数控机床中，光电脉冲编码器作为速度和位置检测的元件，故障发生率较高，外在表现多种多样，我们在维修实践中，将有关光电脉冲编码器的故障给予归纳和分类，使故障更加明确。
1、简介
首先对光电脉冲编码器作一下简介。光电脉冲编码器可分为增量式和绝对式。所谓增量式即编码器转过角度就发出脉冲，查不出轴处于什么位置，只能记录得电后的脉冲数。机床失电后，不能记忆轴的位置。绝对式则能够记忆轴转过的角度和空间位置。依赖于一组或一个备用电池的支持，使机床失电后仍能保持记忆。当然编码器依据安装位置不同又可分为内装式和外装式，内装式和伺服电动机同轴安装，外装式则安装在传动链末端。编码器输出信号通常有两组相位差90度的方波信号用于辨向，一个零标志位（又称一转信号）， +5V 电源和接地端。绝对式还有备用电池连 接端。
2、 故障分类
故障分类如下：
（1）编码器本身故障:指编码器本身元器件出现故障，导致其不能产生和输出正确的波形。这种情况下需更换编码器或维修其内部器件。
（2）编码器连接电缆故障:这种故障出现的几率 最高，维修中经常遇到，应是优先考虑的因素。通常为编码器电缆断路、短路或接触不良，这时需更换电缆或接头。还应特别注意是否是由于电缆固定不紧，造成松动引起开焊或断路，这时需卡紧电缆。
（3）编码器+5V电源下降:是指+5V电源过低， 通常不能低于4.75V，造成过低的原因是供电电源故障或电源传送电缆阻值偏大而引起损耗，这时需检修电源或更换电缆。
（4）绝对式编码器电池电压下降:这种故障通常有含义明确的报警，这时需更换电池，如果考点位置记忆丢失，还须执行重回参考点操作。
（5）编码器电缆屏蔽线未接或脱落:这会引入干扰信号，使波形不稳定，影响通信的准确性，必须保证屏蔽线可靠的焊接及接地。
（6）编码器安装松动:这种故障会影响位置控制 精度，造成停止和移动中位置偏差量超差，甚至刚一开机即产生伺服系统过载报警，请特别注意。
（7）光栅污染 这会使信号输出幅度下降，必须用脱脂棉沾无水酒精轻轻擦除油污。
3、实例
下面以我们在维修中遇到的两例故障予以说明。
（1）实例一 故障现象：加工中心DHK40主轴定向时一直低速旋转。
故障分析和处理：这很显然是机床接收不到零标志信号，即一转信号。打开机床侧盖，拆下脉冲编码 器，发现脉冲编码器底部有一层粉末。完全拆开编码 器后发现圆光栅上的条纹已全部被磨光，当然发不出信号。更换新编码器后，一切正常。此时需修改主轴准停时停止位置偏移量参数，使定向位置与更换前相同。
（2）实例二 故障现象：xxxx专机开机后出现 123（绝对脉冲编码器）电压低故障。
故障分析和处理：该机床已闲置5年，采用FANUC 16系统，电池应该失效。更换4节1号碱性干电池后，机床又显示请求回参考点故障。此时在手动状态将机床移动到参考点附近，再将参数1815#5（APCX）#4（APZX）全部置0，关断一次电源后重新启动，坐标值全部显示为0。再将参数 1815#5（APCX）#4（APZX）全部置1，关断一次电源，再重启，一切正常。这样便给机床重新建立了参考点。
综上所述，脉冲编码器故障总体而言可分为编码 器本身故障和外围输入、输出故障，明确这两点许多问题就清晰了。
发表于：2006-10-24 09:55:00
77楼
转：旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。
解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。
比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。
这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。
绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。。。。。。编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。
绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。
由于绝对编码器在位置定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。
测速度需要可以无限累加测量，目前增量型编码器在测速应用方面仍处于无可取代的主流位置。
并行输出：
绝对型编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。但是并行输出有如下问题：
1。最好是格雷码，因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。
2。所有接口必须确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判断。
3。传输距离不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。
4。对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。
并行：时间上，数据同时发出；空间上，每个位数的数据各占用一根线缆。
增量型编码器输出的通常是并行输出。
串行输出：
串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。
串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和可靠性就大大提高了，一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。
由于绝对型编码器的部分知名厂家在国外，所以串行输出大部分是与xxxx配套的，如SSI同步串行输出，总线型是PROFIBUS-DP的输出等。
光电编码器：
1，优点：体积小，精密，本身分辨度可以很高(目前我公司通过细分技术在直径φ66的编码器上可达到54000cpr) ，无接触无磨损；同一品种既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位移；多圈光电绝对编码器可以检测相当长量程的直线位移(如25位多圈)。寿命长，安装随意，接口形式丰富，价格合理。成熟技术，多年前已在国内外得到广泛应用。
2，缺点：精密但对户外及恶劣环境下使用提出较高的保护要求；量测直线位移需依赖机械装置转换，需消除机械间隙带来的误差；检测轨道运行物体难以克服滑差。
光学电子尺：
1，优点：精密，本身分辨度较高（可达到0.005mm）；体积适中，直接测量直线位移；无接触无磨损，测量间隙宽泛；价格适中，接口形式丰富，已在国内外金属切削机械行业得到较多应用（如线切割、电火花等）。
2，缺点：测量直线和角度要使用不同品种；量程受限制（量程超过4m，生产制造困难价格昂贵），不适于在大量程恶劣环境处实施位移检测。
静磁栅绝对编码器：
1，优点：体积适中，直接测量直线位移，绝对数字编码，理论量程没有限制；无接触无磨损，抗恶劣环境，可水下1000米使用；接口形式丰富，量测方式多样；价格尚能接受。
2，缺点：分辨度1mm不高；测量直线和角度要使用不同品种；不适于在精小处实施位移检测（大于260毫米）。
解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。
比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。
这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。
绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。。。。。。编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。
绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。
由于绝对编码器在位置定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。
测速度需要可以无限累加测量，目前增量型编码器在测速应用方面仍处于无可取代的主流位置。
并行输出：
绝对型编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。但是并行输出有如下问题：
1。最好是格雷码，因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。
2。所有接口必须确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判断。
3。传输距离不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。
4。对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。
并行：时间上，数据同时发出；空间上，每个位数的数据各占用一根线缆。
增量型编码器输出的通常是并行输出。
串行输出：
串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。
串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和可靠性就大大提高了，一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。
由于绝对型编码器的部分知名厂家在国外，所以串行输出大部分是与xxxx配套的，如SSI同步串行输出，总线型是PROFIBUS-DP的输出等。
光电编码器：
1，优点：体积小，精密，本身分辨度可以很高(目前我公司通过细分技术在直径φ66的编码器上可达到54000cpr) ，无接触无磨损；同一品种既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位移；多圈光电绝对编码器可以检测相当长量程的直线位移(如25位多圈)。寿命长，安装随意，接口形式丰富，价格合理。成熟技术，多年前已在国内外得到广泛应用。
2，缺点：精密但对户外及恶劣环境下使用提出较高的保护要求；量测直线位移需依赖机械装置转换，需消除机械间隙带来的误差；检测轨道运行物体难以克服滑差。
光学电子尺：
1，优点：精密，本身分辨度较高（可达到0.005mm）；体积适中，直接测量直线位移；无接触无磨损，测量间隙宽泛；价格适中，接口形式丰富，已在国内外金属切削机械行业得到较多应用（如线切割、电火花等）。
2，缺点：测量直线和角度要使用不同品种；量程受限制（量程超过4m，生产制造困难价格昂贵），不适于在大量程恶劣环境处实施位移检测。
静磁栅绝对编码器：
1，优点：体积适中，直接测量直线位移，绝对数字编码，理论量程没有限制；无接触无磨损，抗恶劣环境，可水下1000米使用；接口形式丰富，量测方式多样；价格尚能接受。
2，缺点：分辨度1mm不高；测量直线和角度要使用不同品种；不适于在精小处实施位移检测（大于260毫米）。
发表于：2006-10-24 10:07:00
78楼
转：光栅与编码器介绍 位置检测装置作为数控机床的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。其中以编码器，光栅尺，旋转变压器，测速发电机等比较普遍，下面主要对光栅和编码器进行说明。光栅,现代光栅测量技术简要介绍：将光源、两块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。目前使用的光栅尺的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差90度的2路方波信号，二是相位依次相差90度的4路正弦信号。这些信号的空间位置周期为W。下面针对输出方波信号的光栅尺进行了讨论，而对于输出正弦波信号的光栅尺，经过整形可变为方波信号输出。输出方波的光栅尺有A相、B相和Z相三个电信号，A相信号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90o。Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。一、栅式测量系统简述 从上个世纪50年代到70年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min，到480m/min。测量长度从1m、3m达到30m和100m。 二、光栅测量技术发展的回顾 计量光栅技术的基础是莫尔条纹（Moire fringes），1874年由英国物理学家L.Rayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950年德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。1953年英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直广泛应用至今。 德国Heidenhain公司1961年开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制造出栅距为4μm（250线/mm）的光栅尺和10000线/转的圆光栅测量系统，能实现1微米和1角秒的测量分辨力。1966年制造出了栅距为20μm（50线/mm）的封闭式直线光栅编码器。在80年代又推出AURODUR工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参考标记（零位）的基础上增加了距离编码。在1987年又提出一种新的干涉原理，采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装。1997年推出用于绝对编码器的EnDat双向串行快速连续接口，使绝对编码器和增量编码器一样很方便的应用于测量系统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很广泛，全世界光栅直线传感器的年产量在60万件左右，其中封闭式光栅尺约占85%，开启式光栅尺约占15%。 三、当今采用的光电扫描原理及其产品系列 光栅根据形成莫尔条纹的原理不同分为几何光栅（幅值光栅）和衍射光栅（相位光栅），又可根据光路的不同分为透射光栅和反射光栅。光米级和亚微米级的光栅测量是采用几何光栅，光栅栅距为100μm至20μm远于光源光波波长，衍射现象可以忽略，当两块光栅相对移动时产生低频拍现象形成莫尔条纹，其测量原理称影像原理。纳米级的光栅测量是采用衍射光栅，光栅栅距是8μm或4μm，栅线的宽度与光的波长很接近，则产生衍射和干涉现象形成莫尔条纹，其测量原理称干涉原理。现以Heidenhain产品采用的3种测量原理介绍如下。 1.具有四场扫描的影像测量原理（透射法） 采用垂直入射光学系统均为4相信号系统，是将指示光栅（扫描掩膜）开四个窗口分为4相，每相栅线依次错位四分之一栅距，在接收的4个光电元件上可得到理想的4相信号，这称为具有四场扫描的影像测量原理。Heidenhain的LS系列产品均采用此原理，其栅距为20μm，测量步距为0.5μm，准确度为±10、±5、±3μm三种，最大测量长度3m，载体为玻璃。 2.有准单场扫描的影像测量原理（反射法） 反射标尺光栅是采用40μm栅距的钢带，指示光栅（扫描掩膜）用二个相互交错并有不同衍射性能的相位光栅组成，这样一来，一个扫描场就可以产生相移为四分之一栅距的四个图象，称此原理为准单场扫描的影象测量原理。由于只用一个扫描场，标尺光栅局部的污染使光场强度的变化是均匀的，并对四个光电接收元件的影响是相同的，因此不会影响光栅信号的质量。与此同时，指示光栅和标尺光栅的间隙和间隙公差能大一些。Heidenhain LB和LIDA系列的金属反射光栅就是采用这一原理。LIDA系列开式光栅其栅距为40μm和20μm，测量步距0.1μm，准确度有±5μm、±3μm，测量长度可达30m，最大速度480m/min。LB系列闭式光栅栅距都是40μm，最大速度可达120m/min。 3.单场扫描的干涉测量原理 对于栅距很小的光栅，指示光栅是一个透明的相位光栅，标尺光栅是自身反射的相位光栅，光束是通过双光栅的衍射，在每一级的诸光束相互干涉，就形成了莫尔条纹，其中+1和-1级组干涉条纹是基波条纹，基波条纹变化的周期与光栅的栅距是同步对应的。光调制产生3个相位相差120°的测量信号，由3个光电元件接收，随后又转换成通用的相位差90°的正弦信号. Heidenhain LF、LIP、LIF系列光栅尺是按干涉原理工作，其光栅尺的载体有钢板、钢带、玻璃和玻璃陶瓷，这些系列产品都是亚微米和纳米级的，其中最小分辨力达到1纳米。 在80年代后期栅距为10μm的透射光栅LID351（分辨力为0.05μm）其间隙要求就比较严格为（0.1±0.015）mm。由于采用了新的干涉测量原理对纳米级的衍射光栅安装公差就放得比较宽，例如指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平行度都很宽（表1所示）。只有衍射光栅LIP372的栅距是0.512μm，经光学倍频后信号周期为0.128μm，其他栅距均为8μm和4μm，经光学二倍频后得到的信号周期为4μm和2μm，其分辨力为5nm和50nm，系统准确度为±0.5μm和±1μm，速度为30m/min。LIF系列栅距是8μm，分辨力0.1μm，准确度±1μm，速度为72m/min。其载体为温度系数近于0的玻璃陶瓷或温度系数为8ppm/K的玻璃。衍射光栅LF系列是闭式光栅尺，其栅距为8μm，信号周期为4μm，测量分辨力0.1μm，系统准确度±3μm和±2μm，最大速度60m/min，测量长度达到3m，载体采用钢尺和钢膨胀系数（10ppm/K）一样的玻璃。 四、光栅测量系统的几个关键问题 1.测量准确度（精度） 光栅线位移传感器的测量准确度，首先取决于标尺光栅刻线划分度的质量和指示光栅扫描的质量（栅线边沿清晰至关重要），其次才是信号处理电路的质量和指示光栅沿标尺光栅导向的误差。影响光栅尺测量准确度的是在光栅整个测量长度上的位置偏差和光栅一个信号周期内的位置偏差。 光栅尺的准确度（精度）用准确度等级表示，Heidenhain定义为：在任意1m测量长度区段内建立在平均值基础上的位置偏差的最大值Fmax均落在±α（μm）之内，则±α为准确度等级。Heidenhain准确度等级划分为：±0.1、±0.2、±0.5、±1、±2、±3、±5、±10和±15μm。由此可见Heidenhain光栅尺的准确度等级和测量长度无关，这是很高的一个要求，现在还没有见到其他生产厂家能够达到这一水平。 现在Heidenhain玻璃透射光栅和金属反射光栅的栅距只采用20μm和40μm，对衍射光栅栅距采用4μm和8μm，（1nm光栅除外）光学二倍频后信号周期为2μm和4μm。Heidenhain要求开式光栅一个信号周期的位置偏差仅为±1%，闭式光栅仅为±2%，光栅信号周期及位置偏差见表2。 表2 -------------------------------------------------------------------- 光栅类别 信号周期（μm） 一个信号周期内的位置偏差（μm） -------------------------------------------------------------------- 几何光栅 20和40 开启式光栅尺±1%，即±0.2~±0.4 封闭式光栅尺±2%，即±0.4~±0.8 -------------------------------------------------------------------- 衍射光栅 2和4 开启式光栅尺±1%，即±0.02~±0.04 封闭式光栅尺±2%，即±0.02~±0.08 -------------------------------------------------------------------- 2.信号的处理及栅距的细分 光栅的测量是将一个周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合在一起，也就是说在栅距的一个周期内将栅距细分后进行绝对的测量，超过周期的量程则用连续的增量式测量。为了保证测量的精度，除了对光栅的刻划质量和运动精度有要求外，还必须对光栅的莫尔条纹信号的质量有要求，因为这影响电子细分的精度，也就是影响光栅测量信号的细分数（倍频数）和测量分辨力（测量步距）。栅距的细分数和准确性也影响光栅测量系统的准确度和测量步距。对莫尔条纹信号质量的要求主要是信号的正弦性和正交性要好；信号直流电平漂移要小。对读数头中的光电转换电路和后续的数字化插补电路要求频率特性好，才能保证测量速度大。 Heidenhain有专门为光栅传感器和CNC相联结设计了光栅倍频器，也就是将光栅传感器输出的正弦信号（一个周期是一个栅距）进行插补和数字化处理后给出相位相差90°的方波，其细分数（倍频数）有5、10、25、50、100、200和400，再考虑到数控系统的4倍频后对栅距的细分数有20、40、100、200、400、800和1600，能实现测量步距从1nm到5μm，倍频数选择取决于光栅信号一个栅距周期的质量。随着倍频数的增加光栅传感器的输出频率要下降，倍频器的倍频细分数和输入频率的关系见表3。 表3 -------------------------------------------------------------------- 倍频细分数 0 2 10 25 50 100 200 400 -------------------------------------------------------------------- 输入频率kHz 600 500 200 100 50 25 12.5 6.25 -------------------------------------------------------------------- 选择不同的倍频数可以得到不同的测量步距。在Heidenhain的数显表中可以设置15种之多的倍频数，最高频数可达1024，即1、2、4、5、10、20、40、50、64、80、100、128、200、400、1024。在微机上用的数量卡最大倍频数可到4096。 3.光栅的参考标记和绝对座标 （1）光栅绝对位置的确立 光栅是增量测量，光栅尺的绝对位置是利用参考标记（零位）确定。参考标记信号的宽度和光栅一个栅距的信号周期一致，经后续电路处理后参考信号的脉冲宽度和系统一个测量步距一致。为了缩短回零位的距离，Heidenhain设计了在测量全长内按距离编码的参考标记，每当经过两个参考标记后就可以确定光栅尺的绝对位置，例如栅距为4μm和20μm的光栅尺扫描单元相对于标尺移动20mm后就可确定绝对位置，栅距为40μm的光栅尺要移动80mm才能确定绝对位置。 （2）绝对坐标传感器 为了在任何时刻测量到绝对位置，Heidenhain设计制造了LC系列绝对光栅尺，它是用七个增量码道得到绝对位置，每个码道是不同的，刻线最细码道的栅距有两种，一种是16μm，另一种是20μm，其分辨力都可为0.1μm，准确度±3μm。测量长度可达3m，最大速度120m/min。它所采用的是光电扫描原理和常用的透射光栅一样，是具有四场扫描的影像测量原理。 4.光栅的载体和热性能 光栅尺是在20°±0.1℃环境中制造，光栅的热性能直接影响到测量精度，在使用上光栅尺的热性能最好和测量的对象的热性能一致。考虑到不同的使用环境，Heidenhain光栅尺刻度的载体具有不同的热膨胀系数。现用的材料有玻璃、钢和零膨胀的玻璃陶瓷。普通玻璃的膨胀系数为8ppm/K，钢为10ppm/K，现在Heidenhain已采用了和钢一样膨胀系数的玻璃。这些材料对振动、冲击不敏感，具有确定的热特性，并对气压和湿度的变化也不会有影响。对测量长度在3m以下的光栅尺载体材料都是用玻璃、玻璃陶瓷和钢，超过3m以上则用钢带。通过对标尺载体所用材料和相应结构的选择，使光栅尺与被测对象的热性能有最佳的匹配。 5．信号处理此外在信号处理、测量电路中，用到了触发器、计数器等多种数字集成电路，测量分辨率为光栅栅距W。目前，计量用光栅尺的刻线一般为每毫米50~250线，对应的栅距W为20~4μm ，在精密测量中往往不能满足要求，需要进行曲细分。如果同时考虑A、90度信号上升沿和下降沿的各种情况，就可以实现信号四细分，其主要电路有：细分辨向、计数和接口电路等，以上功能可以由通用数字集成电路来完成。 6．西门子参数设置30200是编码器的数量；31000=1表示是光栅尺。30240{0}=1 30240{1}=0注意：电机编码器不能屏蔽，否则没法动了。如果想让电机编码器做位置反馈，直接置位DB3*.DBX1.5就行，因为光栅尺一般都作为第二反馈，即用DB3*.DBX1.6激活。但如果DBX1.5和DBX1.6同时生效，第一测量系统起作用。但是上面做法的前提是PLC程序中没有处理DBX1.5,否则你无法置位。 脉冲编码器介绍我们目前生产和使用的数控机床大多采用的是半闭环控制方式，大多数的系统生产厂家均将位置编码器内置于驱动电机端部，间接测量执行部件的实际位置或位移。1、 脉冲编码器概念脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，编码盘直接装在电机的旋转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。这种检测方式的特点是：非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小，响应速度快。缺点是抗污染能力差，容易损坏。按其编码化方式，可分为增量式和绝对值式。1）增量式编码器增量式编码器工作原理 增量式编码器工作原理如上图a所示。在图中，E为等节距的辐射状透光窄缝圆盘，"Q1、"Q2为光源，Da、Db、Dc为光电元件（光敏二极管或光电池），Da与Db错开90度相位角安装。当圆盘旋转一个节距时，在光源照射下，光电元件Da，Db上得到图b( 所示的光电波形输出，A，B信号为具有90度相位差的正弦波，这组信号经放大器放大与整形，得到图c) 的输出方波，A相比B相导前90度，其电压幅值为5V。设A相导前B相时为正方向旋转，则B相导前A相时即为负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别编码器的旋转方向，C相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点脉冲，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲，在数控车床上切削螺纹时，可将它作为车刀进刀点和退刀点的信号使用，以保证切削的螺纹不会乱扣。在加工中心上可作为主轴准停信号，以保证主轴和刀库间的可*换刀。AB相脉冲信号经频率———电压变换后，得到与转轴转速成比例的电压信号，便可测得速度值及位移量。2）绝对值式编码器绝对值式编码器是通过读取编码盘上的图案来表示数值的。下图所示的为葛莱编码盘，图中空白的部分透光，用“0”表示；涂黑的部分不透光，用“1”表示。此码盘共有四环，由里向外每一环配置的光电变换器对应2的3次方，2的2次方，2的1次方，2的0次方。图中的码盘共分为16份，要提高检测精度，可多分。葛莱编码盘 3）增量式编码器和绝对值式编码器比较在实际应用中，通过比较，发现增量式结构简单，成本低；但其移距是由测量信号计数读出的，基点特别重要，每次开机或因故停机后，都要重回参考点；并且排除故障后不能再找到事故前的正确位置，而且由于干扰易产生计数误差。这种增量式编码器多用于精度要求不是很高的经济型数控机床。而绝对值式的结构复杂，成本高；但其坐标值直接从码盘中读出，不会有累积误差；编码器本身具有机械式存储功能（需要外加电池），即使因停电或其它原因造成坐标值清除，通电后，仍可找到原绝对坐标位置。这种编码器多用于精度和速度要求较高的数控机床，特别是控制轴数多达四、五个的加工中心机床上。2、全闭环位置检测装置还有一种全闭环控制方式，可获得比半闭环更高的位移精度。这种进给伺服系统的位置检测装置安装在进给系统末端的执行部件上，实测它的位置或位移量，而安装在驱动电机端部的编码器则作为测速元件，构成速度环。位置检测装置多选用光栅尺，位置信号的检出是由光栅读数头完成，标尺光栅（长光栅）和指示光栅（短光栅）分别安装在机床的移动部件及固定部件上，两者相互平行，它们之间保持0.05或0.1的间隙。当标尺光栅沿指示光栅连续移动时，光电元件所感应的光电流变化规律近似正弦波形，将此正弦信号经放大、整形、微分线路处理后，转换为数字脉冲信号。标尺光栅移动一个栅距产生一个计数脉冲，用计数器来计算脉冲数，则可测得机床工作台的位移量。采用倍频的方法可提高光栅的分辨精度。光栅尺的特点是测量精度高，而且精度可以长期保持；但对工作环境的要求较高，并且测量装置要和工作台等长，不便于在大型数控机床上使用。光栅尺多用于高精度的中、小型数控机床上。因全闭环控制系统将机械传动机构包含在系统之内，机械传动机构的固有频率、阻尼、间隙等将成为系统不稳定的因素，所以全闭环系统在设计及调试上较困难，不及半闭环应用的广泛，这里不再细说了。 附：伺服电机和主轴电机的区别 转子结构不一样,主轴电机的转子与鼠笼电机的转子一样,由于没有磁极,因而不需要相应的检测转子位置的信号,1PH7主轴电机的编码器型号为ERN1381,1FT6/1FK6电机的编码器型号为ERN1387,其主要区别就是ERN1381没有附加的C相和D相信号,故更换编码器不需要重新调整,ERN1387可以用在1PH电机上,但反过来ERN1381不能用在进给电机上.主轴电机一般功率很大,因而电机的结构对散热要求更高.工作范围不一样,伺服电机工作在最低转速和额定转速之间的恒转矩区,而主轴电机工作在额定转速和最高转速之间的恒功率区,由于要达到很大的调速范围,主轴电机的额定转速一般都很低
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