增量式光電編碼器結構(增量式光電編碼器原理)

增量式光電編碼器的一個特點是，所有輸出脈沖信號都對應于增量位移，但是是增量式的，其中位置無法通過輸出脈沖來區分。它可以生成與位移增量相對應的脈沖信號，其功能是提供一種方法來檢測相對于特定參考點的連續位移和位移變化（速度）的離散化或增量。無法直接檢測軸的絕對位置信息。通常，增量式光電編碼器輸出彼此具有90°電角度差的A和B脈沖信號（所謂的兩組正交輸出信號），從而易于確定旋轉方向。同時，還有一個Z相標記（標記）脈沖信號用作參考標記，并且每當碼盤旋轉一圈時，僅發送一個標記信號。標記脈沖通常用于標記機械位置或擦除累積量。增量式光電編碼器主要由光源，代碼盤，檢測柵，光電檢測裝置和轉換電路組成，如圖1-1所示。碼盤上刻有相同間距的徑向溢流縫隙，相鄰的兩個溢流縫隙代表增量周期。在檢測網格上刻有兩組對應于代碼盤的A和B。阻擋光源和光電傳感設備之間的光。它們的間距等于代碼盤的間距，并且兩組透光間隙錯開1/4間距，因此從光電傳感裝置輸出的信號為90°相位電角。 當代碼盤與被測軸一起旋轉時，檢測光柵不移動，光穿過代碼盤的間隙和檢測光柵以照射光電檢測裝置，并且光電檢測裝置輸出兩組相位差。 90°電圖電信號類似于正弦波，并且電信號由轉換電路處理以獲得測得的軸旋轉角度或速度信息。增量式光電編碼器的輸出信號波形如圖1-2所示。增量式光電編碼器的優點是結構簡單，易于實現，平均機械壽命長（可達到數萬小時以上），分辨率高，抗干擾功能強，信號傳輸距離長，可靠性高。缺點是無法直接讀取旋轉軸的絕對位置信息。

圖1-2增量式光電編碼器的輸出信號波形

基本技術規格

使用增量式光電編碼器時，通常會對技術規范提出各種要求，其中最重要的是分辨率，精度，輸出信號的穩定性，響應頻率和信號輸出格式。

（1）分辨率

光電編碼器的分辨率表示為脈沖數/轉數（PPR），即編碼器軸旋轉一圈所產生的輸出信號的基本周期數。代碼盤上的透光縫隙的數量等于編碼器的分辨率，并且刻在代碼盤上的縫隙越多，編碼器的分辨率就越高。在工業電力驅動器中，根據不同的應用，您可以選擇分辨率通常在500到6000 PPR之間的增量式光電編碼器，最大值可以達到數以萬計的PPR。分辨率為2500PPR的編碼器通常用于交流伺服電機控制系統。另外，通過對光電轉換信號進行邏輯處理，可以獲得頻率為2或4的脈沖信號，這可以進一步提高分辨率。

（2）精度

增量式光電編碼器的精度與分辨率無關。有兩個不同的概念。精度是在選定的分辨率范圍內將一個脈沖相對于另一個脈沖定位的能力的度量。精度通常以度，弧分或弧秒表示。編碼器的精度與碼盤透光間隙的加工質量，碼盤機械旋轉的制造精度系數以及安裝技術有關。

（3）輸出信號的穩定性

編碼器輸出信號的穩定性表明其在實際操作條件下保持指定精度的能力。影響編碼器輸出信號穩定性的主要因素是由于電子設備的溫度引起的漂移，外界施加在編碼器上的應變以及光源特性的變化。由于溫度和電源變化的影響，編碼器的電子電路無法維持其指定的輸出特性，因此在設計和使用編碼器時必須充分考慮。

（4）響應頻率

編碼器輸出的響應頻率取決于光電檢測裝置和電子處理電路的響應速度。編碼器高速旋轉時，分辨率越高，編碼器輸出信號的頻率越高。如果光電檢測裝置和電子電路組件的運行速度不兼容，則輸出波形可能會嚴重失真，并且可能會發生脈沖丟失。這樣，輸出信號不能準確地反映軸的位置信息。因此，當每個編碼器具有特定的分辨率時，最大速度也將確定。換句話說，響應頻率是有限的。編碼器的最大響應頻率，分辨率和最大速度之間的關系由公式（1-1）給出。

（5）信號輸出格式

在大多數情況下，直接從編碼器的光電傳感設備獲得的信號電平低，波形不規則，不適合控制，信號處理和長距離傳輸要求。因此，必須在編碼器中對信號進行放大和整形。處理后的輸出信號通常類似于正弦波或方波。由于方波輸出信號易于數字處理，因此該輸出信號被廣泛用于位置控制。使用正弦波輸出信號基本上可以消除定位停止時的振動現象，并且電子插值方法可以輕松以較低的成本獲得高分辨率。增量式光電編碼器的信號輸出格式包括集電極開路，電壓輸出，線路驅動器，互補輸出和推挽輸出（圖騰），極點）。

集電極開路輸出該輸出方法使用編碼器輸出側的NPN晶體管，將晶體管的發射極端子連接到0V，將集電極和+ Vcc端子分開，并將集電極用作輸出端子。如果編碼器的電源電壓和信號接收設備的電壓不匹配，建議使用這種類型的輸出電路。輸出電路如圖1-3所示。主要應用是電梯，紡織機械，潤滑機械，自動化設備，切割機械，印刷機械，包裝機械和編織機械。

圖1-3集電極開路輸出電路

電壓輸出此輸出方法使用編碼器輸出側的NPN晶體管將晶體管的發射極端子連接至0V，將集電極端子連接至+ Vcc，并將負載電阻連接至輸出端子。如果編碼器的電源電壓等于信號接收設備的電壓，則建議使用這種類型的輸出電路。輸出電路如圖1-4所示。主要應用是電梯，紡織機械，潤滑機械，自動化設備，切割機械，印刷機械，包裝機械和編織機械。

圖1-4電壓輸出電路

線路驅動器輸出此輸出方法將線路驅動器IC芯片（26LS31）用于編碼器輸出電路。線性驅動器輸出具有高速響應和良好的噪聲抑制性能，因此適合長距離傳輸。輸出電路如圖1-5所示。主要應用是伺服電機，機器人，CNC加工機等。

圖1-5線路驅動器輸出電路

互補輸出該輸出模式由PNP型和NPN型兩個上，下晶體管組成，當一個晶體管導通時，另一個晶體管截止。此輸出形式具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此它還可以在低阻抗條件下提供各種電源。輸入和輸出信號是同相的，并且具有很寬的頻率范圍，使其適合于長距離傳輸。輸出電路如圖1-6所示。主要用于電梯領域或特殊領域。

圖1-6互補輸出電路

推挽輸出此輸出模式包括兩個上，下NPN晶體管，當一個晶體管導通時，另一個晶體管截止。電流在兩個方向上流過輸出側的兩個晶體管，并且始終輸出電流。因此，它具有低阻抗，并且不受噪聲和應變波的影響。輸出電路如圖1-7所示。主要應用是電梯，紡織機械，潤滑機械，自動化設備，切割機械，印刷機械，包裝機械和編織機械。

圖1-7推挽輸出電路