光電編碼器原理  旋轉編碼器原理及應用

光電編碼器原理及應用電路

根據檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及信號 輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。

1.1 增量式編碼器
增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90海傭煞獎愕嘏卸銑魴較潁鳽相為每轉一個 脈沖，用于基準點定位。它的優點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕 對位置信息。

1.2絕對式編碼器
絕對編碼器是直接輸出數字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和 不透光的扇形區相間組成，相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系，碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數，在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元 件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進制數。這種編碼器的特點是不要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個 固定的與位置相對應的數字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內已有16位的絕對編碼器產品。

絕對式編碼器是利用自然二進制或循環二進制（葛 萊碼）方式進行光電轉換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據讀出碼盤上的編碼，檢測 絕對位置。編碼的設計可采用二進制碼、循環碼、二進制補碼等。它的特點是：
1.2.1可以直接讀出角度坐標的絕對值；
1.2.2沒有累積 誤差；
1.2.3電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數來決定的，也就是說精度取決于位數，目前有10位、14位等多種。

1.3 混合式絕對值編碼器
混合式絕對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。

光 電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉換原理轉換成相應的電脈沖或數字量，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數字化 等優點。它廣泛應用于數控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。

2. 光電編碼器的應用電路
2.1 EPC－755A光電編碼器的應用
EPC－755A 光電編碼器具備良好的使用性能，在角度測量、位移測量時抗干擾能力很強，并具有穩定可靠的輸出脈沖信號，且該脈沖信號經計數后可得到被測量的數字信號。因 此，我們在研制汽車駕駛模擬器時，對方向盤旋轉角度的測量選用EPC－755A光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開路型，輸出分辨率選用360 個脈沖/圈，考慮到汽車方向盤轉動是雙向的，既可順時針旋轉，也可逆時針旋轉，需要對編碼器的輸出信號鑒相后才能計數。圖2給出了光電編碼器實際使用的鑒 相與雙向計數電路，鑒相電路用1個D觸發器和2個與非門組成，計數電路用3片74LS193組成。

當光電編碼器順時針旋轉時，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°，D觸發器輸 出Q(波形W1)為高電平，Q(波形W2)為低電平，上面與非門打 開，計數脈沖通過(波形W3)，送至雙向計數器74LS193的加脈沖輸入端CU，進行加法計數；此時，下面與非門關閉，其輸出為高電平(波形W4)。當 光電編碼器逆時針旋轉時，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，D觸發器輸出Q(波形W1)為低電平，Q(波形W2)為高電平，上面與非門關閉，其 輸出為高電平(波形W3)；此時，下面與非門打開，計數脈沖通過(波形W4)，送至雙向計數器74LS193的減脈沖輸入端CD，進行減法計數。

汽 車方向盤順時針和逆時針旋轉時，其最大旋轉角度均為兩圈半，選用分辨率為360個脈沖/圈的編碼器，其最大輸出脈沖數為900個；實際使用的計數電路用3 片74LS193組成，在系統上電初始化時，先對其進行復位(CLR信號)，再將其初值設為800H，即2048(LD信號)；如此，當方向盤順時針旋轉 時，計數電路的輸出范圍為2048～2948，當方向盤逆時針旋轉時，計數電路的輸出范圍為2048～1148；計數電路的數據輸出D0～D11送至數據 處理電路。

實際使用時，方向盤頻繁地進行順時針和逆時針轉動，由于存在量化誤差，工作較長一段時間后，方向盤回中時計數電路輸出可能不是 2048，而是有幾個字的偏差；為解決這一問題，我們增加了一個方向盤回中檢測電路，系統工作后，數據處理電路在模擬器處于非操作狀態時，系統檢測回中檢 測電路，若方向盤處于回中狀態，而計數電路的數據輸出不是2048，可對計數電路進行復位，并重新設置初值。

2.2 光電編碼器在重力測量儀中的應用
采用旋轉式光電編碼器，把它的轉軸與重力測量儀中補償旋鈕軸相連。重力測量儀中補償旋鈕的角位移量轉化為某種電信 號量；旋轉式光電編碼器分兩種，絕對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，其碼盤比絕對編碼器碼盤要簡單得多且分辨 率更高。一般只需要三條碼道，這里的碼道實際上已不具有絕對編碼器碼道的意義，而是產生計數脈沖。它的碼盤的外道和中間道有數目相同均勻分布的透光和不透 光的扇形區（光柵），但是兩道扇區相互錯開半個區。當碼盤轉動時，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 生的脈沖信號（它作為碼盤的基準位置，給計數系統提供一個初始的零位信號）。從A，B兩個輸出信號的相位關系（超前或滯后）可判斷旋轉的方向。由圖 3（a）可見，當碼盤正轉時，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉時，A道脈沖比B道滯后π/2。圖3（b）是一實際電路，用A道整形波的下沿觸發單穩 態產生的正脈沖與B道整形波相‘與’，當碼盤正轉時只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據輸出脈沖源和脈沖計數來確定碼 盤的轉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，可計數脈沖為2N倍光柵數，現在N=2。圖3電路的缺點是有時會產生誤記脈沖造成誤差，這種情況出現在當某一道信號處于‘高’或‘低’電平狀態，而另 一道信號正處于‘高’和 ‘低’之間的往返變化狀態，此時碼盤雖然未產生位移，但是會產生單方向的輸出脈沖。例如，碼盤發生抖動或手動對準位置時（下面可以看到，在重力儀測量時就 會有這種情況）。