增量式光电编码器结构(增量式光电编码器原理)

增量式光电编码器的一个特点是，所有输出脉冲信号都对应于增量位移，但是是增量式的，其中位置无法通过输出脉冲来区分。它可以生成与位移增量相对应的脉冲信号，其功能是提供一种方法来检测相对于特定参考点的连续位移和位移变化（速度）的离散化或增量。无法直接检测轴的绝对位置信息。通常，增量式光电编码器输出彼此具有90°电角度差的A和B脉冲信号（所谓的两组正交输出信号），从而易于确定旋转方向。同时，还有一个Z相标记（标记）脉冲信号用作参考标记，并且每当码盘旋转一圈时，仅发送一个标记信号。标记脉冲通常用于标记机械位置或擦除累积量。增量式光电编码器主要由光源，代码盘，检测栅，光电检测装置和转换电路组成，如图1-1所示。码盘上刻有相同间距的径向溢流缝隙，相邻的两个溢流缝隙代表增量周期。在检测网格上刻有两组对应于代码盘的A和B。阻挡光源和光电传感设备之间的光。它们的间距等于代码盘的间距，并且两组透光间隙错开1/4间距，因此从光电传感装置输出的信号为90°相位电角。 当代码盘与被测轴一起旋转时，检测光栅不移动，光穿过代码盘的间隙和检测光栅以照射光电检测装置，并且光电检测装置输出两组相位差。 90°电图电信号类似于正弦波，并且电信号由转换电路处理以获得测得的轴旋转角度或速度信息。增量式光电编码器的输出信号波形如图1-2所示。增量式光电编码器的优点是结构简单，易于实现，平均机械寿命长（可达到数万小时以上），分辨率高，抗干扰功能强，信号传输距离长，可靠性高。缺点是无法直接读取旋转轴的绝对位置信息。

图1-2增量式光电编码器的输出信号波形

基本技术规格

使用增量式光电编码器时，通常会对技术规范提出各种要求，其中最重要的是分辨率，精度，输出信号的稳定性，响应频率和信号输出格式。

（1）分辨率

光电编码器的分辨率表示为脉冲数/转数（PPR），即编码器轴旋转一圈所产生的输出信号的基本周期数。代码盘上的透光缝隙的数量等于编码器的分辨率，并且刻在代码盘上的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。在工业电力驱动器中，根据不同的应用，您可以选择分辨率通常在500到6000 PPR之间的增量式光电编码器，最大值可以达到数以万计的PPR。分辨率为2500PPR的编码器通常用于交流伺服电机控制系统。另外，通过对光电转换信号进行逻辑处理，可以获得频率为2或4的脉冲信号，这可以进一步提高分辨率。

（2）精度

增量式光电编码器的精度与分辨率无关。有两个不同的概念。精度是在选定的分辨率范围内将一个脉冲相对于另一个脉冲定位的能力的度量。精度通常以度，弧分或弧秒表示。编码器的精度与码盘透光间隙的加工质量，码盘机械旋转的制造精度系数以及安装技术有关。

（3）输出信号的稳定性

编码器输出信号的稳定性表明其在实际操作条件下保持指定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是由于电子设备的温度引起的漂移，外界施加在编码器上的应变以及光源特性的变化。由于温度和电源变化的影响，编码器的电子电路无法维持其指定的输出特性，因此在设计和使用编码器时必须充分考虑。

（4）响应频率

编码器输出的响应频率取决于光电检测装置和电子处理电路的响应速度。编码器高速旋转时，分辨率越高，编码器输出信号的频率越高。如果光电检测装置和电子电路组件的运行速度不兼容，则输出波形可能会严重失真，并且可能会发生脉冲丢失。这样，输出信号不能准确地反映轴的位置信息。因此，当每个编码器具有特定的分辨率时，最大速度也将确定。换句话说，响应频率是有限的。编码器的最大响应频率，分辨率和最大速度之间的关系由公式（1-1）给出。

（5）信号输出格式

在大多数情况下，直接从编码器的光电传感设备获得的信号电平低，波形不规则，不适合控制，信号处理和长距离传输要求。因此，必须在编码器中对信号进行放大和整形。处理后的输出信号通常类似于正弦波或方波。由于方波输出信号易于数字处理，因此该输出信号被广泛用于位置控制。使用正弦波输出信号基本上可以消除定位停止时的振动现象，并且电子插值方法可以轻松以较低的成本获得高分辨率。增量式光电编码器的信号输出格式包括集电极开路，电压输出，线路驱动器，互补输出和推挽输出（图腾），极点）。

集电极开路输出该输出方法使用编码器输出侧的NPN晶体管，将晶体管的发射极端子连接到0V，将集电极和+ Vcc端子分开，并将集电极用作输出端子。如果编码器的电源电压和信号接收设备的电压不匹配，建议使用这种类型的输出电路。输出电路如图1-3所示。主要应用是电梯，纺织机械，润滑机械，自动化设备，切割机械，印刷机械，包装机械和编织机械。

图1-3集电极开路输出电路

电压输出此输出方法使用编码器输出侧的NPN晶体管将晶体管的发射极端子连接至0V，将集电极端子连接至+ Vcc，并将负载电阻连接至输出端子。如果编码器的电源电压等于信号接收设备的电压，则建议使用这种类型的输出电路。输出电路如图1-4所示。主要应用是电梯，纺织机械，润滑机械，自动化设备，切割机械，印刷机械，包装机械和编织机械。

图1-4电压输出电路

线路驱动器输出此输出方法将线路驱动器IC芯片（26LS31）用于编码器输出电路。线性驱动器输出具有高速响应和良好的噪声抑制性能，因此适合长距离传输。输出电路如图1-5所示。主要应用是伺服电机，机器人，CNC加工机等。

图1-5线路驱动器输出电路

互补输出该输出模式由PNP型和NPN型两个上，下晶体管组成，当一个晶体管导通时，另一个晶体管截止。此输出形式具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此它还可以在低阻抗条件下提供各种电源。输入和输出信号是同相的，并且具有很宽的频率范围，使其适合于长距离传输。输出电路如图1-6所示。主要用于电梯领域或特殊领域。

图1-6互补输出电路

推挽输出此输出模式包括两个上，下NPN晶体管，当一个晶体管导通时，另一个晶体管截止。电流在两个方向上流过输出侧的两个晶体管，并且始终输出电流。因此，它具有低阻抗，并且不受噪声和应变波的影响。输出电路如图1-7所示。主要应用是电梯，纺织机械，润滑机械，自动化设备，切割机械，印刷机械，包装机械和编织机械。

图1-7推挽输出电路