编码器原理及结构

光电编码器的原理及结构

所谓编码器即是将某种物理量转换为数字格式的装置。运动控制系统中的编码器的作用是将位置和角度等参数转换为数字量。可采用电接触、磁效应、电容效应和光电转换等机理，形成各种类型的编码器。运动控制系统中最常见的编码器是光电编码器。

光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。根据其用途的不同，可分为旋转光电编码器和直线光电编码器，分别用于测量旋转角度和直线尺寸。光电编码器按其工作原理可以分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器。

光电编码器的关键部件是光电编码装置，在旋转光电编码器中是圆形的码盘(codewheel或codedisk)，而在直线光电编码器中则是直尺形的码尺(codestrip)。码盘和码尺根据用途和成本的需要，可由金属、玻璃和聚合物等材料制作，其原理都是在运动过程中产生代表运动位置的数字化的光学信号。

图12.1可用于说明透射式旋转光电编码器的原理。在与被测轴同心的码盘上刻制了按一定编码规则形成的遮光和透光部分的组合。在码环的一边是发光二极管或白炽灯光源，另一边则是接收光线的光电器件。码盘随着被测轴的转动使得透过码盘的光束产生间断，通过光电器件的接收和电子线路的处理，产生特定电信号的输出，再经过数字处理可计算出位置和速度信息。

上面所说的是透射式光电编码器的原理。显然利用光反射原理也可制作光电编码器。

一、增量型旋转光电编码器

增量编码器的码盘如图12.2所示。在现代高分辨率码盘上，透光和遮光部分都是很细的窄缝和线条，因此也被称为圆光栅。相邻的窄缝之间的夹角称为栅距角，透光窄缝和遮光部分大约各占栅距角的1/2。码盘的分辨率以每转计数(CPR-counts per revolution)表示，亦即码盘旋转一周在光电检测部分可产生的脉冲数。例如某码盘的CPR为2048，则可以分辨的角度为10，311.8”。在码盘上，往往还另外安排一个（或一组）特殊的窄缝，用于产生定位(index)或零位(zero)信号。测量装置或运动控制系统可利用这个信号产生回零或复位操作。

从原理分析，光电器件输出的电信号应该是三角波。但是由于运动部分和静止部分之间的间隙所导致的光线衍射和光电器件的特性，使得到的波形近似于正弦波，而且其幅度与码盘的分辨率无关。

在图12.1的设计中安排了六组这样的挡板和光电器件组合，其中两组用于产生定位(index)脉冲信号I（有的文献中为Z）。其他四组由于位置的安排，产生4个在相位上依次相差90°的准正弦波信号，分别称为A、B、A和B。将相位相差180°的A和A送到一个比较器的两个输入端，则在比较器的输出端得到占空比为50%的方波信号A。同理，由B和B也可得到方波信号B。这样通过光电

检测器件位置的特殊安排，得到了双通道的光电脉冲输出信号A和B（见图12. 3）。这两个信号有如下特点：

(1)两者的占空比均为so%；图12.3双通道信号的形成

(2)如果朝一个方向旋转时A信号在相位上领先于B信号90°的话，那么旋转方向反过来的时候，B信号在相位上领先于A信号90°。

这种双通道信号的特点为测量分辨率的提高和方向信号的获取提供了条件。

占空比为50%的方波信号A和B中有4个特殊的时刻，就是它们波形的前沿和后沿。

两个信号的前后信号在波形的一个周期中是按90°平均分布的。将这些沿信号取出并加以利用，可得到4倍频的脉冲信号，这样就可把光电编码器的分辨率提高到4倍。

图12.4是一个由数字电路组成的处理电路，在这个电路中采用了施密特输入的反相器、异或门、或门和D触发器。电路中各处波形如图所示，用虚线隔开分别表示正转和反转两种情况下的波形。可以看到该电路产生4倍频计数信号和方向信号。使用这些信号再加上定位脉冲的配合，电子线路就可以通过对脉冲的计数来确定运动系统的位置。可以采用计数器使得其在转轴朝某一方向旋转时进行增数，而在朝相反方向旋转时进行减数，这样就可以在不掉电的前提下保持对绝对位置的记忆。

绝对式光电旋转编码器

绝对式光电编码器的码盘如图1所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。

编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。图1是二进制的编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20，4位二进制可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、 (1111)

图1

按照码盘上形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。当码盘转到一定的角度时，扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出低电平“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“1”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出，从而获得扇区的位置脚。