光电编码器的特性及应用电路分析.docx

光电编码器的特性及应用摘要：文文中简介介了光电电编码器器的工作作原理，阐述了了光电编编码器的的分类及及其特性性，列举举了光电电编码器器的应用用电路，分析了了光电编编码器应应用中的的问题并并提出改改进措施施。1.光电电编码器器的工作作原理     光电编编码器，是一种种通过光光电转换换将输出出轴上的的机械几几何位移移量转换换成脉冲冲或数字字量的传传感器。这是目目前应用用最多的的传感器器， 光光电编码码器是由由光栅盘盘和光电电检测装装置组成成。光栅栅盘是在在一定直直径的圆圆板上等等分地开开通若干干个长方方形孔。由于光光电码盘盘与电动动机同轴轴，电动动机旋转转时，光光栅盘与与电动机机同速旋旋转，经经发光二二极管等等电子元元件组成成的检测测装置检检测输出出若干脉脉冲信号号，其原原理示意意图如图图1所示示；通过过计算每每秒光电电编码器器输出脉脉冲的个个数就能能反映当当前电动动机的转转速。此此外，为为判断旋旋转方向向，码盘盘还可提提供相位位相差990º的的两路脉脉冲信号号。      根据检检测原理理，编码码器可分分为光学学式、磁磁式、感感应式和和电容式式。根据据其刻度度方法及及信号输输出形式式，可分分为增量量式、绝绝对式以以及混合合式三种种。 1.1增增量式编编码器     增量式式编码器器是直接接利用光光电转换换原理输输出三组组方波脉脉冲A、B和ZZ相；AA、B两两组脉冲冲相位差差90ºº，从而而可方便便地判断断出旋转转方向，而Z相相为每转转一个脉脉冲，用用于基准准点定位位。它的的优点是是原理构构造简单单，机械械平均寿寿命可在在几万小小时以上上，抗干干扰能力力强，可可靠性高高，适合合于长距距离传输输。其缺缺点是无无法输出出轴转动动的绝对对位置信信息。 1.2绝绝对式编编码器     绝对编编码器是是直接输输出数字字量的传传感器，在它的的圆形码码盘上沿沿径向有有若干同同心码道道，每条条道上由由透光和和不透光光的扇形形区相间间组成，相邻码码道的扇扇区数目目是双倍倍关系，码盘上上的码道道数就是是它的二二进制数数码的位位数，在在码盘的的一侧是是光源，另一侧侧对应每每一码道道有一光光敏元件件；当码码盘处于于不同位位置时，各光敏敏元件根根据受光光照与否否转换出出相应的的电平信信号，形形成二进进制数。这种编编码器的的特点是是不要计计数器，在转轴轴的任意意位置都都可 读读出一个个固定的的与位置置相对应应的数字字码。显显然，码码道越多多，分辨辨率就越越高，对对于一个个具有 N位二二进制分分辨率的的编码器器，其码码盘必须须有N条条码道。目前国国内已有有16位位的绝对对编码器器产品。    绝对式式编码器器是利用用自然二二进制或或循环二二进制（葛莱码码）方式式进行光光电转换换的。绝绝对式编编码器与与增量式式编码器器不同之之处在于于圆盘上上透光、不透光光的线条条图形，绝对编编码器可可有若干干编码，根据读读出码盘盘上的编编码，检检测绝对对位置。编码的的设计可可采用二二进制码码、循环环码、二二进制补补码等。它的特特点是： 1.2.11可以直直接读出出角度坐坐标的绝绝对值； 1.2.22没有累累积误差差； 11.2.3电源源切除后后位置信信息不会会丢失。但是分分辨率是是由二进进制的位位数来决决定的，也就是是说精度度取决于于位数，目前有有10位位、144位等多多种。 1.3混混合式绝绝对值编编码器     混合式式绝对值值编码器器，它输输出两组组信息：一组信信息用于于检测磁磁极位置置，带有有绝对信信息功能能；另一一组则完完全同增增量式编编码器的的输出信信息。     光电编编码器是是一种角角度（角角速度）检测装装置，它它将输入入给轴的的角度量量，利用用光电转转换原理理 转换换成相应应的电脉脉冲或数数字量，具有体体积小，精度高高，工作作可靠,接口数数字化等等优点。它广泛泛应用于于数控机机床、回回转台、伺服传传动、机机器人、雷达、军事目目标测定定等需要要检测角角度的装装置和设设备中。2. 光光电编码码器的应应用电路路2.11 EPPC7755AA光电编编码器的的应用     EPCC7555A光光电编码码器具备备良好的的使用性性能，在在角度测测量、位位移测量量时抗干干扰能力力很强，并具有有稳定可可靠的输输出脉冲冲信号，且该脉脉冲信号号经计数数后可得得到被测测量的数数字信号号。因此此，我们们在研制制汽车驾驾驶模拟拟器时，对方向向盘旋转转角度的的测量选选用EPPC7755AA光电编编码器作作为传感感器，其其输出电电路选用用集电极极开路型型，输出出分辨率率选用3360个个脉冲/圈，考考虑到汽汽车方向向盘转动动是双向向的，既既可顺时时针旋转转，也可可逆时针针旋转，需要对对编码器器的输出出信号鉴鉴相后才才能计数数。图22给出了了光电编编码器实实际使用用的鉴相相与双向向计数电电路，鉴鉴相电路路用1个个D触发发器和22个与非非门组成成，计数数电路用用3片774LSS1933组成。     当光电电编码器器顺时针针旋转时时，通道道A输出出波形超超前通道道B输出出波形990°，D触发发器输出出Q(波波形W11)为高高电平，Q(波波形W22)为低低电平，上面与与非门打打开，计计数脉冲冲通过(波形WW3)，送至双双向计数数器744LS1193的的加脉冲冲输入端端CU，进行加加法计数数；此时时，下面面与非门门关闭，其输出出为高电电平(波波形W44)。当当光电编编码器逆逆时针旋旋转时，通道AA输出波波形比通通道B输输出波形形延迟990°，D触发发器输出出Q(波波形W11)为低低电平，Q(波波形W22)为高高电平，上面与与非门关关闭，其其输出为为高电平平(波形形W3)；此时时，下面面与非门门打开，计数脉脉冲通过过(波形形W4)，送至至双向计计数器774LSS1933的减脉脉冲输入入端CDD，进行行减法计计数。    汽车方方向盘顺顺时针和和逆时针针旋转时时，其最最大旋转转角度均均为两圈圈半，选选用分辨辨率为3360个个脉冲/圈的编编码器，其最大大输出脉脉冲数为为9000个；实实际使用用的计数数电路用用3片774LSS1933组成，在系统统上电初初始化时时，先对对其进行行复位(CLRR信号)，再将将其初值值设为8800HH，即220488(LDD信号)；如此此，当方方向盘顺顺时针旋旋转时，计数电电路的输输出范围围为2004829448，当当方向盘盘逆时针针旋转时时，计数数电路的的输出范范围为22048811148；计数电电路的数数据输出出D0D111送至数数据处理理电路。    实际使使用时，方向盘盘频繁地地进行顺顺时针和和逆时针针转动，由于存存在量化化误差，工作较较长一段段时间后后，方向向盘回中中时计数数电路输输出可能能不是220488，而是是有几个个字的偏偏差；为为解决这这一问题题，我们们增加了了一个方方向盘回回中检测测电路，系统工工作后，数据处处理电路路在模拟拟器处于于非操作作状态时时，系统统检测回回中检测测电路，若方向向盘处于于回中状状态，而而计数电电路的数数据输出出不是220488，可对对计数电电路进行行复位，并重新新设置初初值。2.2 光电编编码器在在重力测测量仪中中的应用用     采用用旋转式式光电编编码器，把它的的转轴与与重力测测量仪中中补偿旋旋钮轴相相连。重重力测量量仪中补补偿旋钮钮的角位位移量转转化为某某种电信信号量；旋转式式光电编编码器分分两种，绝对编编码器和和增量编编码器。    增量编编码器是是以脉冲冲形式输输出的传传感器，其码盘盘比绝对对编码器器码盘要要简单得得多且分分辨率更更高 。一般只只需要三三条码道道，这里里的码道道实际上上已不具具有绝对对编码器器码道的的意义，而是产产生计数数 脉冲冲。它的的码盘的的外道和和中间道道有数目目相同均均匀分布布的透光光和不透透光的扇扇形区（光栅），但 是两道道扇区相相互错开开半个区区。当码码盘转动动时，它它的输出出信号是是相位差差为900°的AA相和BB相脉冲冲 信号号以及只只有一条条透光狭狭缝的第第三码道道所产生生的脉冲冲信号（它作为为码盘的的基准位位置，给给计数 系统提提供一个个初始的的零位信信号）。从A，B两个个输出信信号的相相位关系系（超前前或滞后后）可判判断旋转转的方向向。由图图3（aa）可见见，当码码盘正转转时，AA道脉冲冲波形比比B道超超前/2，而而反转时时 ，AA道脉冲冲比B道道滞后/2。图3（b）是是一实际际电路，用A道道整形波波的下沿沿触发单单稳态 产生的的正脉冲冲与B道道整形波波相与与，当当码盘正正转时只只有正向向口脉冲冲输出，反之，只有逆逆向口脉脉冲输出出。因此此，增量量编码器器是根据据输出脉脉冲源和和脉冲计计数来确确定码盘盘 的转转动方向向和相对对角位移移量。通通常，若若编码器器有N个个（码道道）输出出信号，其相位位差为/ NN，可计计数脉冲冲为2NN倍光栅栅数，现现在N=2。图图3电路路的缺点点是有时时会产生生误记脉脉冲造成成误差， 这种种情况出出现在当当某一道道信号处处于高高或低电电平状态态，而另另一道信信号正处处于高高和 低之间的的往返变变化状态态，此时时码盘虽虽然未产产生位移移，但是是会产生生单方向向的输出出脉冲。例如，码盘发发生抖动动或手动动对准位位置时（下面可可以看到到，在重重力仪测测量时就就会有这这种情况况）。      图4是是一个既既能防止止误脉冲冲又能提提高分辨辨率的四四倍频细细分电路路。在这这里，采采用了有有记忆功功能 的的D型触触发器和和时钟发发生电路路。由图图4可见见，每一一道有两两个D触触发器串串接，这这样，在在时钟脉脉 冲的的间隔中中，两个个Q端（如对应应B道的的74LLS1775的第第2、77引脚）保持前前两个时时钟期的的输入 状态，若两者者相同，则表示示时钟间间隔中无无变化；否则，可以根根据两者者关系判判断出它它的变化化方 向向，从而而产生正向或反反向输输出脉冲冲。当某某道由于于振动在在高、低低间往往复变化化 时，将交替替产生正向和反反向脉脉冲，这这在对两两个计数数器取代代数和时时就可消消除它们们的影 响（下下面仪器器的读数数也将涉涉及这点点）。由由此可见见，时钟钟发生器器的频率率应大于于振动频频率的可可能 最最大值。由图44还可看看出，在在原一个个脉冲信信号的周周期内，得到了了四个计计数脉冲冲。例如如，原每每 圈脉脉冲数为为10000的编编码器可可产生44倍频的的脉冲数数是40000个个，其分分辨率为为0.009°。实际上上 ，目目前这类类传感器器产品都都将光敏敏元件输输出信号号的放大大整形等等电路与与传感检检测元件件封装在在一起 ，所以以只要加加上细分分与计数数电路就就可以组组成一个个角位移移测量系系统(7741559是44-166译码器器)。3.应用用中问题题分析及及改进措措施3.1应用用中问题题分析     光电检检测装置置的发射射和接收收装置都都安装在在生产现现场，在在使用中中暴露出出许多缺缺陷，其其有内在在因素也也有外在在因素，主要表表现在以以下几个个方面：3.1.1    发射装装置或接接受装置置因机械械震动等等原因而而引起的的移位或或偏移，导致接接收装置置不能可可靠的接接收到光光信号，而不能能产生电电信号。例如；光电编编码器应应用在轧轧钢调速速系统中中，因光光电编码码器是直直接用螺螺栓固定定在电动动机的外外壳上，光电编编码器的的轴通过过较硬的的弹簧片片和电动动机转轴轴相连接接，因电电动机所所带负载载是冲击击性负载载，当轧轧机过钢钢时会引引起电动动机转轴轴和外壳壳的振动动。经测测定；过过钢时光光电编码码器振动动速度为为2.66mm/s，这这样的振振动速度度会损坏坏光电编编码器的的内部功功能。造造成误发发脉冲，从而导导致控制制系统不不稳定或或误动作作，导致致事故发发生。3.1.2 因因光电检检测装置置安装在在生产现现场，受受生产现现场环境境因素影影响导致致光电检检测装置置不能可可靠的工工作。如如安装部部位温度度高、湿湿度大，导致光光电检测测装置内内部的电电子元件件特性改改变或损损坏。例例如在连连铸机送送引锭跟跟踪系统统，由于于光电检检测装置置安装的的位置靠靠近铸坯坯，环境境温度高高而导致致光电检检测装置置误发出出信号或或损坏，而引发发生产或或人身事事故。3.1.3生产产现场的的各种电电磁干扰扰源，对对光电检检测装置置产生的的干扰，导致光光电检测测装置输输出波形形发生畸畸变失真真，使系系统误动动或引发发生产事事故。例例如；光光电检测测装置安安装在生生产设备备本体，其信号号经电缆缆传输至至控制系系统的距距离一般般在2001000米，传输电电缆虽然然一般都都选用多多芯屏蔽蔽电缆，但由于于电缆的的导线电电阻及线线间电容容的影响响再加上上和其它它电缆同同在一起起敷设，极易受受到各种种电磁干干扰的影影响，因因此引起起波形失失真，从从而使反反馈到调调速系统统的信号号与实际际值的偏偏差，而而导致系系统精度度下降。3.2改改进措施施3.22.1改改变光电电编码器器的安装装方式。光电编编码器不不在安装装在电动动机外壳壳上，而而是在电电动机的的基础上上制作一一固定支支架来独独立安装装光电编编码器，光电编编码器轴轴与电动动机轴中中心必须须处于同同一水平平高度，两轴采采用软橡橡胶或尼尼龙软管管相连接接，以减减轻电动动机冲击击负载对对光电编编码器的的机械冲冲击。采采用此方方式后经经测振仪仪检测，其振动动速度降降至1.2mmm/s。3.2.2合理理选择光光电检测测装置输输出信号号传输介介质，采采用双绞绞屏蔽电电缆取代代普通屏屏蔽电缆缆。双绞绞屏蔽电电缆具有有两个重重要的技技术特性性，一是是对电缆缆受到的的电磁干干扰具有有较强的的防护能能力，因因为空间间电磁场场在线上上产生的的干扰电电流可以以互相抵抵消。双双绞屏蔽蔽电缆的的另一个个技术特特点是互互绞后两两线间距距很小，两线对对干扰线线路的距距离基本本相等，两线对对屏蔽网网的分布布电容也也基本相相同，这这对抑制制共模干干扰效果果更加明明显。3.2.3利用用PLCC软件监监控或干干涉。在在连铸生生产的送送引锭过过程要求求光电检检测装置置产生有有时序性性的电信信号，同同时，该该信号与与整个过过程不同同阶段相相对应。如图55。 送引锭锭过程启启动前，光电信信号1为为“1”。送送引锭过过程启动动后，在在A阶段段，辊道道启动，引锭杆杆上送。当引锭锭杆挡住住光电装装置发射射出的红红外光时时，光电电信号为为“0”；当红红外光透透过引锭锭杆中部部2个小小圆孔时时，光电电装置发发出信号号2和33，均为为“1”。送送引锭过过程在BB阶段，光电信信号为“0”，辊道停停下，引引锭杆暂暂停上送送，扇形形10段段压下，启动拉拉矫机和和“同步步1”，引锭杆杆继续上上送。送引锭锭过程在在C阶段段，引锭锭杆上送送，并不不再挡住住红外光光，光电电信号44为“11”，启启动“同同步2”，停下下“同步步1”，引锭杆杆继续上上送。至至此光电电装置工工作过程程结束。    根据光光检测电电装置的的工作过过程，只只要现场场测定送送引锭过过程中各各个光电电信号发发生的时时间，结结合送引引锭过程程与光电电信号的的关系，利用PPLC应应用程序序中的相相关数据据，编制制符合要要求的PPLC程程序，将将PLCC程序输输出信号号输入至至PLCC的输入入模块，替代原原光电信信号的输输入信号号。其程程序框图图如图66所示。 4.结语语     光电电检测装装置本身身是由电电子元器器件构成成，它对对安装环环境有一一定的技技术要求求，特别别是在较较恶劣环环境下使使用，要要采取相相应的保保护措施施，以使使光电检检测装置置工作在在其产品品要求的的技术条条件下，才能发发挥装置置的技术术性能。否则光光电检测测装置的的使用寿寿命及其其工作的的可靠性性都将受受到不同同程度的的影响。结合光光电检测测装置在在生产过过程控制制中的应应用实践践，在控控制系统统设计中中；不宜宜采用光光电检测测装置的的信号作作为重要要的控制制信号，以避免免光电装装置突然然损坏或或工作不不稳定（环境高高温、湿湿度大、机械振振动、外外力碰创创等）引引起其它它设备事事故。在在控制系系统中应应用PLLC程序序实适进进行过程程控制的的监控或或干涉，以克服服了因系系统中采采用光电电装置而而存在的的各种缺缺陷，是是提高系系统可靠靠性的有有效途径径。