光電編碼器的特性及應(yīng)用
 

　　1.光電編碼器的工作原理

　　光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用zui多的傳感器， 光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖1所示；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差90º的兩路脈沖信號(hào)。

　　根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、式以及混合式三種。

　　1.1增量式編碼器

　　增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90º，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗*力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的位置信息。

　　1.2式編碼器

　　編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可 讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤(pán)必須有N條碼道。目前國(guó)內(nèi)已有16位的編碼器產(chǎn)品。

　　式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤(pán)上透光、不透光的線條圖形，編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤(pán)上的編碼，檢測(cè)位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是：

　　1.2.1可以直接讀出角度坐標(biāo)的值；

　　1.2.2沒(méi)有累積誤差；

　　1.2.3電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的，也就是說(shuō)精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。

　　1.3混合式值編碼器

　　混合式值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有信息功能；另一組則*同增量式編碼器的輸出信息。

　　光電編碼器是一種角度（角速度）檢測(cè)裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。

　　2. 光電編碼器的應(yīng)用電路

　　2.1 EPC－755A光電編碼器的應(yīng)用

　　EPC－755A光電編碼器具備良好的使用性能，在角度測(cè)量、位移測(cè)量時(shí)抗*力很強(qiáng)，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號(hào)，且該脈沖信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被測(cè)量的數(shù)字信號(hào)。因此，我們?cè)谘兄破囻{駛模擬器時(shí)，對(duì)方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量選用EPC－755A光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開(kāi)路型，輸出分辨率選用360個(gè)脈沖/圈，考慮到汽車方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的，既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，需要對(duì)編碼器的輸出信號(hào)鑒相后才能計(jì)數(shù)。圖2給出了光電編碼器實(shí)際使用的鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路，鑒相電路用1個(gè)D觸發(fā)器和2個(gè)與非門(mén)組成，計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成。

　　當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°，D觸發(fā)器輸出Q(波形W1)為高電平，Q(波形W2)為低電平，上面與非門(mén)打開(kāi)，計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)(波形W3)，送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的加脈沖輸入端CU，進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；此時(shí)，下面與非門(mén)關(guān)閉，其輸出為高電平(波形W4)。當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，D觸發(fā)器輸出Q(波形W1)為低電平，Q(波形W2)為高電平，上面與非門(mén)關(guān)閉，其輸出為高電平(波形W3)；此時(shí)，下面與非門(mén)打開(kāi)，計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)(波形W4)，送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的減脈沖輸入端CD，進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。

　　汽車方向盤(pán)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，其zui大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分辨率為360個(gè)脈沖/圈的編碼器，其zui大輸出脈沖數(shù)為900個(gè)；實(shí)際使用的計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，先對(duì)其進(jìn)行復(fù)位(CLR信號(hào))，再將其初值設(shè)為800H，即2048(LD信號(hào))；如此，當(dāng)方向盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2048～2948，當(dāng)方向盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2048～1148；計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D0～D11送至數(shù)據(jù)處理電路。

　　實(shí)際使用時(shí)，方向盤(pán)頻繁地進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由于存在量化誤差，工作較長(zhǎng)一段時(shí)間后，方向盤(pán)回中時(shí)計(jì)數(shù)電路輸出可能不是2048，而是有幾個(gè)字的偏差；為解決這一問(wèn)題，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)方向盤(pán)回中檢測(cè)電路，系統(tǒng)工作后，數(shù)據(jù)處理電路在模擬器處于非操作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)回中檢測(cè)電路，若方向盤(pán)處于回中狀態(tài)，而計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出不是2048，可對(duì)計(jì)數(shù)電路進(jìn)行復(fù)位，并重新設(shè)置初值。

　　2.2 光電編碼器在重力測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用

　　采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，把它的轉(zhuǎn)軸與重力測(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕軸相連。重力測(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕的角位移量轉(zhuǎn)化為某種電信號(hào)量；旋轉(zhuǎn)式光電編碼器分兩種，編碼器和增量編碼器。

　　增量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器，其碼盤(pán)比編碼器碼盤(pán)要簡(jiǎn)單得多且分辨率更高 。一般只需要三條碼道，這里的碼道實(shí)際上已不具有編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生計(jì)數(shù) 脈沖。它的碼盤(pán)的外道和中間道有數(shù)目相同均勻分布的透光和不透光的扇形區(qū)（光柵），但 是兩道扇區(qū)相互錯(cuò)開(kāi)半個(gè)區(qū)。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的輸出信號(hào)是相位差為90°的A相和B相脈沖 信號(hào)以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)（它作為碼盤(pán)的基準(zhǔn)位置，給計(jì)數(shù) 系統(tǒng)提供一個(gè)初始的零位信號(hào)）。從A，B兩個(gè)輸出信號(hào)的相位關(guān)系（超前或滯后）可判斷旋轉(zhuǎn)的方向。由圖3（a）可見(jiàn)，當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉(zhuǎn)時(shí) ，A道脈沖比B道滯后π/2。圖3（b）是一實(shí)際電路，用A道整形波的下沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài) 產(chǎn)生的正脈沖與B道整形波相‘與’，當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據(jù)輸出脈沖源和脈沖計(jì)數(shù)來(lái)確定碼盤(pán) 的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和相對(duì)角位移量。通常，若編碼器有N個(gè)（碼道）輸出信號(hào)，其相位差為π/ N，可計(jì)數(shù)脈沖為2N倍光柵數(shù)，現(xiàn)在N=2。圖3電路的缺點(diǎn)是有時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤記脈沖造成誤差， 這種情況出現(xiàn)在當(dāng)某一道信號(hào)處于‘高’或‘低’電平狀態(tài)，而另一道信號(hào)正處于‘高’和 ‘低’之間的往返變化狀態(tài)，此時(shí)碼盤(pán)雖然未產(chǎn)生位移，但是會(huì)產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。例如，碼盤(pán)發(fā)生抖動(dòng)或手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)位置時(shí)（下面可以看到，在重力儀測(cè)量時(shí)就會(huì)有這種情況）。

　　 圖4是一個(gè)既能防止誤脈沖又能提高分辨率的四倍頻細(xì)分電路。在這里，采用了有記憶功能 的D型觸發(fā)器和時(shí)鐘發(fā)生電路。由圖4可見(jiàn)，每一道有兩個(gè)D觸發(fā)器串接，這樣，在時(shí)鐘脈 沖的間隔中，兩個(gè)Q端（如對(duì)應(yīng)B道的74LS175的第2、7引腳）保持前兩個(gè)時(shí)鐘期的輸入 狀態(tài)，若兩者相同，則表示時(shí)鐘間隔中無(wú)變化；否則，可以根據(jù)兩者關(guān)系判斷出它的變化方 向，從而產(chǎn)生‘正向’或‘反向’輸出脈沖。當(dāng)某道由于振動(dòng)在‘高’、‘低’間往復(fù)變化 時(shí)，將交替產(chǎn)生‘正向’和‘反向’脈沖，這在對(duì)兩個(gè)計(jì)數(shù)器取代數(shù)和時(shí)就可消除它們的影 響（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點(diǎn)）。由此可見(jiàn)，時(shí)鐘發(fā)生器的頻率應(yīng)大于振動(dòng)頻率的可能 zui大值。由圖4還可看出，在原一個(gè)脈沖信號(hào)的周期內(nèi)，得到了四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。例如，原每 圈脈沖數(shù)為1000的編碼器可產(chǎn)生4倍頻的脈沖數(shù)是4000個(gè)，其分辨率為0.09°。實(shí)際上 ，目前這類傳感器產(chǎn)品都將光敏元件輸出信號(hào)的放大整形等電路與傳感檢測(cè)元件封裝在一起 ，所以只要加上細(xì)分與計(jì)數(shù)電路就可以組成一個(gè)角位移測(cè)量系統(tǒng)(74159是4-16譯碼器)。

　　3.應(yīng)用中問(wèn)題分析及改進(jìn)措施

　　3.1應(yīng)用中問(wèn)題分析

　　光電檢測(cè)裝置的發(fā)射和接收裝置都安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在使用中暴露出許多缺陷，其有內(nèi)在因素也有外在因素，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　3.1.1發(fā)射裝置或接受裝置因機(jī)械震動(dòng)等原因而引起的移位或偏移，導(dǎo)致接收裝置不能可靠的接收到光信號(hào)，而不能產(chǎn)生電信號(hào)。例如；光電編碼器應(yīng)用在軋鋼調(diào)速系統(tǒng)中，因光電編碼器是直接用螺栓固定在電動(dòng)機(jī)的外殼上，光電編碼器的軸通過(guò)較硬的彈簧片和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接，因電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載是沖擊性負(fù)載，當(dāng)軋機(jī)過(guò)鋼時(shí)會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸和外殼的振動(dòng)。經(jīng)測(cè)定；過(guò)鋼時(shí)光電編碼器振動(dòng)速度為2.6mm/s，這樣的振動(dòng)速度會(huì)損壞光電編碼器的內(nèi)部功能。造成誤發(fā)脈沖，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或誤動(dòng)作，導(dǎo)致事故發(fā)生。

　　3.1.2因光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，受生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素影響導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置不能可靠的工作。如安裝部位溫度高、濕度大，導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置內(nèi)部的電子元件特性改變或損壞。例如在連鑄機(jī)送引錠跟蹤系統(tǒng)，由于光電檢測(cè)裝置安裝的位置靠近鑄坯，環(huán)境溫度高而導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置誤發(fā)出信號(hào)或損壞，而引發(fā)生產(chǎn)或人身事故。

　　3.1.3生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾源，對(duì)光電檢測(cè)裝置產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置輸出波形發(fā)生畸變失真，使系統(tǒng)誤動(dòng)或引發(fā)生產(chǎn)事故。例如；光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)設(shè)備本體，其信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至控制系統(tǒng)的距離一般在20—100米，傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜，但由于電纜的導(dǎo)線電阻及線間電容的影響再加上和其它電纜同在一起敷設(shè)，極易受到各種電磁干擾的影響，因此引起波形失真，從而使反饋到調(diào)速系統(tǒng)的信號(hào)與實(shí)際值的偏差，而導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。

　　3.2改進(jìn)措施

　　3.2.1改變光電編碼器的安裝方式。光電編碼器不在安裝在電動(dòng)機(jī)外殼上，而是在電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上制作一固定支架來(lái)獨(dú)立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動(dòng)機(jī)軸中心必須處于同一水平高度，兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接，以減輕電動(dòng)機(jī)沖擊負(fù)載對(duì)光電編碼器的機(jī)械沖擊。采用此方式后經(jīng)測(cè)振儀檢測(cè)，其振動(dòng)速度降至1.2mm/s。

　　3.2.2合理選擇光電檢測(cè)裝置輸出信號(hào)傳輸介質(zhì)，采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個(gè)重要的技術(shù)特性，一是對(duì)電纜受到的電磁干擾具有較強(qiáng)的防護(hù)能力，因?yàn)榭臻g電磁場(chǎng)在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)是互絞后兩線間距很小，兩線對(duì)干擾線路的距離基本相等，兩線對(duì)屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對(duì)抑制共模干擾效果更加明顯。

　　3.2.3利用PLC軟件監(jiān)控或干涉。在連鑄生產(chǎn)的送引錠過(guò)程要求光電檢測(cè)裝置產(chǎn)生有時(shí)序性的電信號(hào)，同時(shí)，該信號(hào)與整個(gè)過(guò)程不同階段相對(duì)應(yīng)。如圖5。

　?、偎鸵V過(guò)程啟動(dòng)前，光電信號(hào)1為“1”。

　　②送引錠過(guò)程啟動(dòng)后，在A階段，輥道啟動(dòng)，引錠桿上送。當(dāng)引錠桿擋住光電裝置發(fā)射出的紅外光時(shí)，光電信號(hào)為“0”；當(dāng)紅外光透過(guò)引錠桿中部2個(gè)小圓孔時(shí)，光電裝置發(fā)出信號(hào)2和3，均為“1”。

　?、鬯鸵V過(guò)程在B階段，光電信號(hào)為“0”，輥道停下，引錠桿暫停上送，扇形10段壓下，啟動(dòng)拉矯機(jī)和“同步1”，引錠桿繼續(xù)上送。

　?、芩鸵V過(guò)程在C階段，引錠桿上送，并不再擋住紅外光，光電信號(hào)4為“1”，啟動(dòng)“同步2”，停下“同步1”，引錠桿繼續(xù)上送。至此光電裝置工作過(guò)程結(jié)束。

　　根據(jù)光檢測(cè)電裝置的工作過(guò)程，只要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定送引錠過(guò)程中各個(gè)光電信號(hào)發(fā)生的時(shí)間，結(jié)合送引錠過(guò)程與光電信號(hào)的關(guān)系，利用PLC應(yīng)用程序中的相關(guān)數(shù)據(jù)，編制符合要求的PLC程序，將PLC程序輸出信號(hào)輸入至PLC的輸入模塊，替代原光電信號(hào)的輸入信號(hào)。其程序框圖如圖6所示。

　　4.結(jié)束語(yǔ)

　　光電檢測(cè)裝置本身是由電子元器件構(gòu)成，它對(duì)安裝環(huán)境有一定的技術(shù)要求，特別是在較惡劣環(huán)境下使用，要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以使光電檢測(cè)裝置工作在其產(chǎn)品要求的技術(shù)條件下，才能發(fā)揮裝置的技術(shù)性能。否則光電檢測(cè)裝置的使用壽命及其工作的可靠性都將受到不同程度的影響。結(jié)合光電檢測(cè)裝置在生產(chǎn)過(guò)程控制中的應(yīng)用實(shí)踐，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中；不宜采用光電檢測(cè)裝置的信號(hào)作為重要的控制信號(hào)，以避免光電裝置突然損壞或工作不穩(wěn)定（環(huán)境高溫、濕度大、機(jī)械振動(dòng)、外力碰創(chuàng)等）引起其它設(shè)備事故。在控制系統(tǒng)中應(yīng)用PLC程序?qū)嵾m進(jìn)行過(guò)程控制的監(jiān)控或干涉，以克服了因系統(tǒng)中采用光電裝置而存在的各種缺陷，是提高系統(tǒng)可靠性的有效途徑。