光電編碼器原理及應(yīng)用場景

1、光電編碼器的原理

2、光電編碼器是確定將輸出軸上的機(jī)器的位移量轉(zhuǎn)換為脈沖或數(shù)字量的光電轉(zhuǎn)換傳感器。

3、這是目前使用*多的傳感器，光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置構(gòu)成。

4、格子盤是指在肯定直徑的圓板上部分開設(shè)了個長方形的孔。

5、由于光電碼盤與電動機(jī)同軸，所以當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，檢測經(jīng)由由發(fā)光二極管等電子部件構(gòu)成檢測裝置輸出了脈沖信號；

6、每秒光電編碼器的輸出脈沖數(shù)與當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速反應(yīng)。

根據(jù)檢測原理，編碼器分為光學(xué)式、磁性式、感覺式和電容式。根據(jù)其刻度要領(lǐng)和信號輸出方式，可分為增量式、盡對式和濃濁式3種。

1.1增量編碼器

增量編碼器直接利用光電轉(zhuǎn)換的原理輸出3組方波脈沖a、b、z相；A、b兩組脈沖相位差錯愕90 tethersar獎，milbri比鳉相每轉(zhuǎn)一次脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。其優(yōu)點(diǎn)是原理配置大致，機(jī)器均整壽命在數(shù)萬小時以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合長傳輸切斷。缺點(diǎn)是無法輸出軸旋轉(zhuǎn)的配對位置信息。

1.2增量編碼器編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，圓形碼輪上有幾個徑向同心圓狀的碼道，各道由透光扇區(qū)和不透光扇區(qū)之間構(gòu)成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)呈2倍的關(guān)系，碼道在碼輪處于差的位置的情況下，各受光元件根據(jù)是否接受光來變換對應(yīng)的電平信號，形成二進(jìn)制數(shù)。該編碼器的特點(diǎn)是不需要計(jì)數(shù)器，可以讀取與旋轉(zhuǎn)軸任意位置完全對應(yīng)的數(shù)字代碼。很明顯，碼道越多，判別率越高。在具有n位二進(jìn)制判別率的編碼器中，代碼輪中一定有n碼通道。目前國內(nèi)有16位編碼器產(chǎn)品。

盡對式編碼器采用天然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制(格雷碼)法進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。*式編碼器與增量編碼器的區(qū)別在于磁盤上的透光、不透光線條圖案，通過讀取代碼并讀取代碼來檢測正確的位置。的計(jì)劃可以采用二進(jìn)制代碼、循環(huán)代碼、二進(jìn)制完成代碼等。其特征如下

1.2.1可直接讀取角度坐標(biāo)*值；

1.2.2無累積偏差

1.2.3即使關(guān)閉電源，位置信息也不會丟失。但是，識別率由二進(jìn)制的位數(shù)決定，也就是說精度取決于位數(shù)，現(xiàn)在有10位、14位等多種。

1.3稠濁式*值編碼器

輸出兩組信息的濃厚式父母編碼器。一組信息用于檢測磁極位置，具有父母消息的作用；另一組完全與增量編碼器的輸出信息相同。

光電編碼器是一種角度(角速度)檢測裝置，利用光電轉(zhuǎn)換原理將進(jìn)給軸的角度量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小、精度高、勞動可靠、接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、翻轉(zhuǎn)展示臺、伺服驅(qū)動器、呆板人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測量等所需角度檢測裝置和配置。

2 .光電編碼器的應(yīng)用電路

2.1EPC-755A光電編碼器的應(yīng)用

EPC-755A光電編碼用具有優(yōu)良的利用性能，在測量角度、位移時輸出抗騷擾、穩(wěn)定可靠的脈沖信號，通過對該脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)可以得到測量的數(shù)字信號。

因此，我們在開發(fā)汽車駕駛模仿器時，在測量另一個方向的旋轉(zhuǎn)角度時使用EPC-755A光電編碼器作為傳感器，在其輸出電路中使用集電極開路型，輸出分辨率使用360個脈沖/匝，汽車方向盤旋轉(zhuǎn)雙向、順時針圖2示出光電編碼器實(shí)際使用的相位同步檢測電路，相位同步檢測電路包括一個d觸發(fā)器和兩個與非門，計(jì)數(shù)電路包括三個74LS193。

當(dāng)光電式編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時，通道a輸出波形比通道b的輸出波形提前90，d觸發(fā)器的輸出q (波形W1 )為高電平，q (波形W2 )為低電平，上面NAND門打開，脈沖決定(波形W1 ) 此時，下面和NAND門關(guān)閉，其輸出變?yōu)楦唠娖?/span>(波形W4 )。當(dāng)光電式編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)時，通道a輸出波形比通道b的輸出波形延遲90，d觸發(fā)器輸出q (波形W1 )為低電平，q )波形W2 )為高電平，上表面NAND門關(guān)閉，其輸出為高電平此時，以下與非門打開，對脈沖寬度決議(波形W4 )計(jì)數(shù)，發(fā)送到雙向計(jì)數(shù)器74LS193的下行脈沖輸入端CD，進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。

汽車方向盤順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時，其*旋轉(zhuǎn)角度均為2圈半，選擇判別率為360脈沖/轉(zhuǎn)的編碼器，其*輸出脈沖數(shù)為900個；實(shí)際使用的計(jì)數(shù)電路由3個74LS193構(gòu)成，在系統(tǒng)上進(jìn)行電初始化的情況下，首*行復(fù)位(CLR信號)，將其初始值設(shè)為800H的2048 ) LD信號)；云云，在手柄順時針旋轉(zhuǎn)的情況下，計(jì)數(shù)電路的輸出范疇為2048~2948，在手柄逆時針旋轉(zhuǎn)的情況下，計(jì)數(shù)電路的輸出范疇為2048~1148。計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D0~D11被發(fā)送到數(shù)據(jù)處理電路。

實(shí)際使用時，由于方向盤頻繁順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)，存在量化偏差，在長時間工作后，方向盤返回時計(jì)數(shù)電路的輸出大概不是2048，為了處理這個有幾個字過失的標(biāo)題，我們在方向盤轉(zhuǎn)動過程中當(dāng)系統(tǒng)啟動后，當(dāng)模擬器處于非支配狀態(tài)時，數(shù)據(jù)處理電路可以檢測到電路，如果手柄處于電路，而計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出不為2048，則數(shù)據(jù)處理電路可以復(fù)位計(jì)數(shù)電路并重新配置初始值。

2.2光電編碼器在重力測量儀中的應(yīng)用

采用旋轉(zhuǎn)式光電式編碼器，將其旋轉(zhuǎn)軸和重力長度量儀中補(bǔ)償旋鈕軸相連。重力丈量儀中補(bǔ)償旋鈕的角位移量轉(zhuǎn)化為某種電信號量；旋轉(zhuǎn)式光電編碼器分兩種，盡對編碼器和增量編碼器。

增量編碼器因此脈沖式樣輸出的傳感器，其碼盤比盡對編碼器碼盤要大略得多且辨別率更高。平常只必要三條碼道，這里的碼道實(shí)際上已不具有盡對編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生存數(shù)脈沖。它的碼盤的外道和中央道有數(shù)量雷同勻稱散布的透光和不透光的扇形區(qū)(光柵)，但是兩道扇區(qū)相互錯開半個區(qū)。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動時，它的輸出信號是相位差為90°的A相和B相脈沖信號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號(它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，給計(jì)數(shù)體系提供一個初始的零位信號)。從A，B兩個輸出信號的相位干系(前或滯后)可鑒定旋轉(zhuǎn)的方向。由圖3(a)可見，當(dāng)碼盤正轉(zhuǎn)時，A道脈沖波形比B道前π/2，而反轉(zhuǎn)時，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)碼盤正轉(zhuǎn)時只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據(jù)輸出脈沖源和脈沖計(jì)數(shù)來確定碼盤的轉(zhuǎn)動方向和相對角位移量。通常，若編碼器有N個(碼道)輸出信號，其相位差為π/N，可計(jì)數(shù)脈沖為2N倍光柵數(shù)，如今N=2。圖3電路的缺點(diǎn)是偶然會產(chǎn)生誤記脈沖造成偏差，這種環(huán)境出如今當(dāng)某一道信號處于‘高’或‘低’電平狀態(tài)，而另一道信號正處于‘高’和‘低’之間的往返變化狀態(tài)，此時碼盤雖然未產(chǎn)生位移，但是會產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。比方，碼盤產(chǎn)生抖動或手動對準(zhǔn)位置時(下面可以看到，在重力儀丈量時就會有這種環(huán)境)。

一個既能防備誤脈沖又能進(jìn)步辨別率的四倍頻細(xì)分電路。在這里，采取了有印象作用的D型觸發(fā)器和時鐘產(chǎn)生電路。由圖4可見，每一道有兩個D觸發(fā)器串接，如許，在時鐘脈沖的隔斷中，兩個Q端(如對應(yīng)B道的74LS175的第2、7引腳)保留前兩個時鐘期的輸進(jìn)狀態(tài)，若兩者雷同，則表現(xiàn)時鐘隔斷中無變化；不然，可以根據(jù)兩者干系鑒定出它的變化方向，從而產(chǎn)生‘正向’或‘反向’輸出脈沖。當(dāng)某道由于振動在‘高’、‘低’間往復(fù)變化時，將瓜代產(chǎn)生‘正向’和‘反向’脈沖，這在對兩個計(jì)數(shù)器代替數(shù)和時就可消除它們的影響(下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點(diǎn))。由此可見，時鐘產(chǎn)生器的頻率應(yīng)大于振動頻率的大概*值。由圖4還可看出，在原一個脈沖信號的周期內(nèi)，得到了四個計(jì)數(shù)脈沖。比方，原每圈脈沖數(shù)為1000的編碼器可產(chǎn)生4倍頻的脈沖數(shù)是4000個，其辨別率為0.09°。實(shí)際上，如今這類傳感器產(chǎn)品都將光敏元件輸出信號的放大整形等電路與傳感檢測元件封裝在一起，以是只要加上細(xì)分與計(jì)數(shù)電路就可以構(gòu)成一個角位移丈量體系(74159是4-16譯碼器)。

根本技能規(guī)格

在增量式光電編碼器的利用進(jìn)程中，對付其技能規(guī)格通常會發(fā)起差別的要求，此中*要害的便是它的辨別率、精度、輸出信號的穩(wěn)固性、相應(yīng)頻率、信號輸出式樣。

(1) 辨別率

光電編碼器的辨別率因此編碼器軸轉(zhuǎn)動一周所產(chǎn)生的輸出信號根本周期數(shù)來表現(xiàn)的，即脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)(PPR)。碼盤上的透光弊端的數(shù)量就便是編碼器的辨別率，碼盤上刻的弊端越多，編碼器的辨別率就越高。在財產(chǎn)電氣傳動中，根據(jù)差別的應(yīng)用東西，可選擇辨別率通常在500~6000PPR的增量式光電編碼器，*可以到達(dá)幾萬PPR。交換伺服

(2) 精度

增量式光電編碼器的精度與辨別率完全無關(guān)，這是兩個差別的見解。精度是一種度量在所選定的辨別率范疇內(nèi)，確定任一脈沖相對另一脈沖位置的本領(lǐng)。精度通常用角度、角分或角秒來表現(xiàn)。編碼器的精度與碼盤透光弊端的加工質(zhì)量、碼盤的機(jī)器旋轉(zhuǎn)環(huán)境的制造精度因素相關(guān)，也與安置技能相關(guān)。

(3) 輸出信號的穩(wěn)固性

編碼器輸出信號的穩(wěn)固性是指在實(shí)際運(yùn)行條件下，保留法則精度的本領(lǐng)。影響編碼器輸出信號穩(wěn)固性的重要因素是溫度對電子器件造成的漂移、外界加于編碼器的變形力以及光源特性的變化。由于受到溫度和電源變化的影響，編碼器的電子電路不克保留法則的輸出特性，在計(jì)劃和利用中都要賜與富裕思考。

(4) 相應(yīng)頻率

編碼器輸出的相應(yīng)頻率取決于光電檢測器件、電子處理線路的相應(yīng)速率。當(dāng)編碼器高速旋轉(zhuǎn)時，倘若其辨別率很高，那么編碼器輸出的信號頻率將會很高。倘若光電檢測器件和電子線路元器件的勞動速率與之不克相合適，就有大概使輸出波形緊張畸變，乃至產(chǎn)生丟失脈沖的表象。如許輸出信號就不克反應(yīng)軸的位置信息。以是，每一種編碼器在其辨別率肯定的環(huán)境下，它的*轉(zhuǎn)速也是肯定的，即它的相應(yīng)頻率是受限定的。編碼器的*相應(yīng)頻率、辨別率和*轉(zhuǎn)速之間的干系請參考其他資料。

(5) 信號輸出式樣

在大多數(shù)環(huán)境下，直接從編碼器的光電檢測器件獲取的信號電平較低，波形也不法則，還不克合適于控制、信號處理和遠(yuǎn)離斷傳輸?shù)囊?。以是，在編碼器內(nèi)還務(wù)必將此信號放大、整形。議決處理的輸出信號平常雷同于正弦波或矩形波。由于矩形波輸出信號容易舉行數(shù)字處理，以是這種輸出信號在定位控制中得到廣泛的應(yīng)用。采取正弦波輸出信號時根本消除了定位中斷時的振蕩表象，并且容易議決電子內(nèi)插要領(lǐng)，以較低的資本得到較高的辨別率。

增量式光電編碼器的信號輸出式樣有：集電極開路輸出(OpenCollector)、電壓輸出(VoltageOutput)、線驅(qū)動輸出(LineDriver)、互補(bǔ)型輸出(ComplementalOutput)和推挽式輸出(TotemPole)。集電極開路輸出這種輸出方法議決利用編碼器輸出側(cè)的NPN晶體管，將晶體管的放射極引出端子相連至0V，斷開集電極與+Vcc的端子并把集電極作為輸出端。在編碼器供電電壓和信號接納裝置的電壓不一概的環(huán)境下，發(fā)起利用這種類別的輸出電路。輸出電路如圖1-3所示。重要應(yīng)用范疇有電梯、紡織機(jī)器、注油機(jī)、主動化配置、切割機(jī)器、印刷機(jī)器、包裝機(jī)器和針織機(jī)器等。

電壓輸出這種輸出方法議決利用編碼器輸出側(cè)的NPN晶體管，將晶體管的放射極引出端子相連至0V，集電極度子與+Vcc和負(fù)載電阻相連，并作為輸出端。在編碼器供電電壓和信號接納裝置的電壓一概的環(huán)境下，發(fā)起利用這種類別的輸出電路。重要應(yīng)用范疇有電梯、紡織機(jī)器、注油機(jī)、主動化配置、切割機(jī)器、印刷機(jī)器、包裝機(jī)器和針織機(jī)器等。

線驅(qū)動輸出這種輸出方法將線驅(qū)動IC芯片(26LS31)用于編碼器輸出電路，由于它具有高速相應(yīng)和精良的抗噪聲性能，使得線驅(qū)動輸出適宜長隔斷傳輸。重要應(yīng)用范疇有伺服電機(jī)、呆板人、cnc加工機(jī)器等。互補(bǔ)型輸出這種輸出方法由上下兩個分別為PNP型和NPN型的三極管構(gòu)成，當(dāng)此中一個三極管導(dǎo)通時，別的一個三極管則關(guān)斷。這種輸出式樣具有高輸進(jìn)阻抗和低輸出阻抗，因此在低阻抗環(huán)境下它也可以提供大范疇的電源。由于輸進(jìn)、輸出信號相位雷同且頻率范疇寬，因此它得當(dāng)長隔斷傳輸。重要應(yīng)用于電梯范疇或范疇。推挽式輸出這種輸出方法由上下兩個NPN型的三極管構(gòu)成，當(dāng)此中一個三極管導(dǎo)通時，別的一個三極管則關(guān)斷。電流暢過輸出側(cè)的兩個晶體管向兩個方向流進(jìn)，并始終輸出電流。因此它阻抗低，并且不太受噪聲和變形波的影響。重要應(yīng)用范疇有電梯、紡織機(jī)器、注油機(jī)、主動化配置、切割機(jī)器、印刷機(jī)器、包裝機(jī)器和針織機(jī)器等