光电编码器原理及应用场景    

1、光电编码器的原理 

2、光电编码器是确定将输出轴上的机器的多少位移量转换为脉冲或数字量的光电转换传感 器。 

3、这是目前使用最多的传感器，光电编码器由光栅盘和光电检测装置构成。

4、格子盘是指在肯定直径的圆板上部分开设了多少个长方形的ya孔。 

5、由于光电码盘与电动机同轴，所以当电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，检测经 由由发光二极管等电子部件构成检测装置输出了多少脉冲信号； 

6、每秒光电编码器的输出脉冲数与当前电机的转速反应。 根据检测原理，编码器分为光学式、磁性式、感觉式和电容式。根据其刻度要领和信号输出 方式，可分为增量式、尽对式和浓浊式 3 种。 

     1.1 增量编码器

增量编码器直接利用光电转换的原理输出 3 组方波脉冲 a、b、z 相；A、b 两组脉冲相位差 错愕 90 tethersar 奖，milbri 比鳉相每转一次脉冲，用于基准点定位。其优点是原理配置大 致，机器均整寿命在数万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合长传输切断。缺点是无法输出轴旋转的配对位置信息。

    1.2 增量编码器编码器是直接输出数字量的传感器，圆形码轮上有几个径向同心圆状的码道， 各道由透光扇区和不透光扇区之间构成，相邻码道的扇区数呈 2 倍的关系，码道在码轮处于 差的位置的情况下，各受光元件根据是否接受光来变换对应的电平信号，形成二进制数。该 编码器的特点是不需要计数器，可以读取与旋转轴任意位置完全对应的数字代码。很明显， 码道越多，判别率越高。在具有 n 位二进制判别率的编码器中，代码轮中一定有 n 码通道。 目前国内有 16 位编码器产品。 尽对式编码器采用天然二进制或循环二进制(格雷码)法进行光电转换。绝对式编码器与增量 编码器的区别在于磁盘上的透光、不透光线条图案，通过读取代码并读取代码来检测正确的 位置。的计划可以采用二进制代码、循环代码、二进制完成代码等。其特征如下

          1.2.1 可直接读取角度坐标绝对值； 

          1.2.2 无累积偏差 

          1.2.3 即使关闭电源，位置信息也不会丢失。但是，识别率由二进制的位数决定，也就是说 精度取决于位数，现在有 10 位、14 位等多种。 

    1.3 稠浊式绝对值编码器 输出两组信息的浓厚式父母编码器。一组信息用于检测磁极位置，具有父母消息的作用；另 一组完全与增量编码器的输出信息相同。 光电编码器是一种角度(角速度)检测装置，利用光电转换原理将进给轴的角度量转换为相应 的电脉冲或数字量，具有体积小、精度高、劳动可靠、接口数字化等优点。广泛应用于数控 机床、翻转展示台、伺服驱动器、呆板人、雷达、军事目标测量等所需角度检测装置和配置。

2 .光电编码器的应用电路 

    2.1EPC-755A 光电编码器的应用 EPC-755A 光电编码用具有优良的利用性能，在测量角度、位移时输出抗骚扰、稳定可靠的 脉冲信号，通过对该脉冲信号进行计数可以得到测量的数字信号。 因此，我们在开发汽车驾驶模仿器时，在测量另一个方向的旋转角度时使用 EPC-755A 光电 编码器作为传感器，在其输出电路中使用集电极开路型，输出分辨率使用 360 个脉冲/匝， 汽车方向盘旋转双向、顺时针图 2 示出光电编码器实际使用的相位同步检测电路，相位同步 检测电路包括一个 d 触发器和两个与非门，计数电路包括三个 74LS193。

当光电式编码器顺时针旋转时，通道 a 输出波形比通道 b 的输出波形提前 90，d 触发器的输 出 q (波形 W1 )为高电平，q (波形 W2 )为低电平，上面 NAND 门打开，脉冲决定(波形 W1 ) 此 时，下面和 NAND 门关闭，其输出变为高电平(波形 W4 )。当光电式编码器逆时针旋转时， 通道 a 输出波形比通道 b 的输出波形延迟 90，d 触发器输出 q (波形 W1 )为低电平，q )波形 W2 )为高电平，上表面 NAND 门关闭，其输出为高电平此时，以下与非门打开，对脉冲宽度 决议(波形 W4 )计数，发送到双向计数器 74LS193 的下行脉冲输入端 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 2 圈半，选择判别率为 360 脉冲/ 转的编码器，其最大输出脉冲数为 900 个；实际使用的计数电路由 3 个 74LS193 构成，在系 统上进行电初始化的情况下，首先进行复位(CLR 信号)，将其初始值设为 800H 的 2048 ) LD 信号)；云云，在手柄顺时针旋转的情况下，计数电路的输出范畴为 2048~2948，在手柄逆 时针旋转的情况下，计数电路的输出范畴为 2048~1148。计数电路的数据输出 D0~D11 被发 送到数据处理电路。 实际使用时，由于方向盘频繁顺时针和逆时针旋转，存在量化偏差，在长时间工作后，方向 盘返回时计数电路的输出大概不是 2048，为了处理这个有几个字过失的标题，我们在方向 盘转动过程中当系统启动后，当模拟器处于非支配状态时，数据处理电路可以检测到电路， 如果手柄处于电路，而计数电路的数据输出不为 2048，则数据处理电路可以复位计数电路 并重新配置初始值。

    2.2 光电编码器在重力测量仪中的应用 采用旋转式光电式编码器，将其旋转轴和重力长度量仪中补偿旋钮轴相连。重力丈量仪中补 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，尽对编码器和增量编码 器。

  增量编码器因此脉冲式样输出的传感器，其码盘比尽对编码器码盘要大略得多且辨别率更高。 平常只必要三条码道，这里的码道实际上已不具有尽对编码器码道的意义，而是产生存数脉 冲。它的码盘的外道和中央道有数量雷同匀称散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 体系提供一个初始的零位信号)。从 A，B 两个输出信号的相位干系(超前或滞后)可鉴定旋转 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，如今 N=2。 图 3 电路的缺点是偶然会产生误记脉冲造成偏差，这种环境出如今当某一道信号处于‘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。比方，码盘产生抖动或手动对准位置时(下 面可以看到，在重力仪丈量时就会有这种环境)。 

  一个既能防备误脉冲又能进步辨别率的四倍频细分电路。在这里，采取了有印象作用的 D 型触发器和时钟产生电路。由图 4 可见，每一道有两个 D 触发器串接，如许，在时钟脉冲 的隔断中，两个 Q 端(如对应 B 道的 74LS175 的第 2、7 引脚)保留前两个时钟期的输进状态， 若两者雷同，则表现时钟隔断中无变化；不然，可以根据两者干系鉴定出它的变化方向，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，将瓜 代产生‘正向’和‘反向’脉冲，这在对两个计数器代替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，时钟产生器的频率应大于振动频率的大概最大值。 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。比方，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，其辨别率为 0.09°。实际上，如今这 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，以是只 要加上细分与计数电路就可以构成一个角位移丈量体系(74159 是 4-16 译码器)。

 根本技能规格

 在增量式光电编码器的利用进程中，对付其技能规格通常会发起差别的要求，此中最要害的 便是它的辨别率、精度、输出信号的稳固性、相应频率、信号输出式样。 

    (1) 辨别率 光电编码器的辨别率因此编码器轴转动一周所产生的输出信号根本周期数来表现的，即脉 冲数/转(PPR)。码盘上的透光弊端的数量就便是编码器的辨别率，码盘上刻的弊端越多，编 码器的辨别率就越高。在财产电气传动中，根据差别的应用东西，可选择辨别率通常在 500~6000PPR 的增量式光电编码器，最高可以到达几万 PPR。交换伺服 

   (2) 精度 增量式光电编码器的精度与辨别率完全无关，这是两个差别的见解。精度是一种度量在所 选定的辨别率范畴内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的本领。精度通常用角度、角分或角 秒来表现。编码器的精度与码盘透光弊端的加工质量、码盘的机器旋转环境的制造精度因素 相关，也与安置技能相关。 

   (3) 输出信号的稳固性 编码器输出信号的稳固性是指在实际运行条件下，保留法则精度的本领。影响编码器输出 信号稳固性的重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克保留法则的输出特性， 在计划和利用中都要赐与富裕思考。

   (4) 相应频率 编码器输出的相应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的相应速率。当编码器高速旋 转时，倘若其辨别率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。倘若光电检测器件和电子 线路元器件的劳动速率与之不克相合适，就有大概使输出波形紧张畸变，乃至产生丢失脉冲 的表象。如许输出信号就不克精确反应轴的位置信息。以是，每一种编码器在其辨别率肯定 的环境下，它的最高转速也是肯定的，即它的相应频率是受限定的。编码器的最大相应频率、 辨别率和最高转速之间的干系请参考其他资料。

   (5) 信号输出式样 在大多数环境下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不法则，还 不克合适于控制、信号处理和远离断传输的要求。以是，在编码器内还务必将此信号放大、 整形。议决处理的输出信号平常雷同于正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易举行数字 处理，以是这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采取正弦波输出信号时根本消除了 定位中断时的振荡表象，并且容易议决电子内插要领，以较低的资本得到较高的辨别率。 

 增量式光电编码器的信号输出式样有：集电极开路输出(OpenCollector)、电压输出 (VoltageOutput)、线驱动输出(LineDriver)、互补型输出(ComplementalOutput)和推挽式输出 (TotemPole)。集电极开路输出这种输出方法议决利用编码器输出侧的 NPN 晶体管，将晶体 管的放射极引出端子相连至 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纳装置的电压不一概的环境下，发起利用这种类别的输出电路。输出电路如图 1-3 所示。重要应用范畴有电梯、纺织机器、注油机、主动化配置、切割机器、印刷 机器、包装机器和针织机器等。

  电压输出这种输出方法议决利用编码器输出侧的 NPN 晶体管，将晶体管的放射极引出端子 相连至 0V，集电极度子与+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 接纳装置的电压一概的环境下，发起利用这种类别的输出电路。重要应用范畴有电梯、纺织 机器、注油机、主动化配置、切割机器、印刷机器、包装机器和针织机器等。 线驱动输出这种输出方法将线驱动专用 IC 芯片(26LS31)用于编码器输出电路，由于它具有高 速相应和精良的抗噪声性能，使得线驱动输出适宜长隔断传输。重要应用范畴有伺服电机、 呆板人、cnc 加工机器等。互补型输出这种输出方法由上下两个分别为 PNP 型和 NPN 型的 三极管构成，当此中一个三极管导通时，别的一个三极管则关断。这种输出式样具有高输进 阻抗和低输出阻抗，因此在低阻抗环境下它也可以提供大范畴的电源。由于输进、输出信号 相位雷同且频率范畴宽，因此它得当长隔断传输。重要应用于电梯范畴或专用范畴。推挽式 输出这种输出方法由上下两个 NPN 型的三极管构成，当此中一个三极管导通时，别的一个 三极管则关断。电流畅过输出侧的两个晶体管向两个方向流进，并始终输出电流。因此它阻 抗低，并且不太受噪声和变形波的影响。重要应用范畴有电梯、纺织机器、注油机、主动化 配置、切割机器、印刷机器、包装机器和针织机器等

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