光电编码器概述光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲、数字量或模拟量信号输出的传感器。利用它可以实现角度、直线位移、转速等模拟物理量的测量。一、特点 它具有体积小、重量轻、品种多、功能全、高频响应、分辨能力高、承载能力强、力矩小、耗能低；性能稳定、可靠、使用寿命长等特点。二、编码器分类1、按信号的原理分：增量式编码器、绝对式编码器、混合式编码器1）增量式编码器 直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。2）绝对式编码器 利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：（1）可以直接读出角度坐标的绝对值；（2）没有累积误差；（3）电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。3）混合式绝对值编码器 它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。 绝对值编码器是一种直接编码和直接测量的检测装置。它能指示绝对值位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失。常用的编码器有编码盘和编码尺，统称为码盘。从编码器的使用记数来分类，有二进制编码、二进制循环码（葛莱码）、二-十进制码等编码器。从结构原理分类，有接触式、光电式和电磁式等几种。 混合式绝对值编码器就是把增量制码与绝对制码同做在一块码盘上。在圆盘的最外圈是高密度的增量条纹，中间有四个码道组成绝对式的四位葛莱码，每1/4同心圆被葛莱码分割成16个等分段。该码盘的工作原理是三极记数：粗、中、精计数。码盘转的转数由对“一转脉冲”的计数表示。在一转以内的角度位置有葛莱码的4*16不同的数值表示。每1/4圆葛莱码的细分有最外圆的增量码完成。 增量式光电编码器：测速，测转动方向，测移动角度、距离(相对)。A：工作原理图B：工作原理：1）光电编码器的组成：一个中心有轴的光电码盘，在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧，安放发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲，获得四组正弦波信号组合：A、/A、B、/B ，每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度）用以判断旋转方向。码盘上有Z相标志（参考机械零位），每转一圈输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。2）由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转；通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。3）当脉冲数已固定，而需要提高分辨率时，可利用90相位差A、B两路信号，对原脉冲数进行2倍频或4倍频。4）轴的每圈转动，增量型编码器提供一定数量的脉冲。周期性的测量或者单位时间内的脉冲计数可以用来测量移动的速度。如果在一个参考点后面脉冲数被累加，计算值就代表了转动角度或行程的参数。双通道编码器输出脉冲之间相差为90。能使接收脉冲的电子设备接收轴的旋转感应信号， 因此可用来实现双向的定位控制；另外，三通道增量型旋转编码器每一圈产生一个称之为零位信号的脉冲。C：关于码盘a）脉冲信号1.A相2.B相3.Z相 编码器的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。b)分辨率 编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度510000线。c)机械转速和电气转速机械转速 编码器的机械转速以每分钟最大可以旋转多少圈表示rpm。 电气转速 编码器的电气转速也称为开关频率，是读取每个脉冲信号的反应速度，以每秒多少次表示Hz。1.最大工作速度应同时兼顾编码器的机械转速、电气转速以及编码器后续接收设备的开关频率。Nmax=Fmax60/Z；Nmax：最大转速；Fmax：最高响应频率；Z：每转输出脉冲数2.每秒钟光电编码器输出的脉冲个数： N=电机的转速n每转线数/60 例如，当电机的转速n=1000转/分，线数为600，则每秒钟光电编码器的脉冲个数应为 N=1000 600/60=10000（个）脉冲 若n=1转/分 则N=1 600/60 =10（个）d)信号输出：正弦波（电流或电压）、方波（TTL、HTL）、集电极开路（PNP、NPN）、推拉式 其中： TTL为长线差分驱动（对称A，/A；B，/B；Z，/Z）； HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。e)信号连接 连接设备：计数器、PLC、计算机 连接方式：1. 单相连接： 用于正反向计数和测速2. A、B两相连接： 用于正反向计数、判断正反向和测速3. A、B、Z三相连接： 用于带参考位修正的位置测量。1）PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。2）三相连接： 由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。 对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。 对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。 三、计数模块编程 增量式编码器的问题：1）增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用绝对型编码器可以解决。2）测量速度有等时间法，和等脉冲数法。 等时间法，选定一个单位时间,（如100mS）,在单位时间里累计读取的脉冲数时间平均，既是此时间段的平均速度。 等脉冲数，选定一定数量的脉冲数（如100脉冲），在累计读到这些脉冲数的时间，作时间平均，既是此时间的平均速度。 一般工业中多用等时法。1、从增量式编码器到绝对值式编码器 增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来计算其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备计算并记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。 解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。 这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。2、绝对值式光电编码器 工作原理： 圆形码盘上沿径向有若干同心码道，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数。 绝对值编码器为每一个轴的位置提供一个独一无二的编码数字值。 当掉电时，绝对型编码器的位置不会丢失 。1）绝对值编码器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。 2）它有一个绝对零位代码，当停电或关机后，再开机重新测量时，仍可准确地读出停电或关机位置的代码，并准确地找到零位代码。3）绝对式编码器轴旋转时，有与位置对应的代码（二进制、BCD码等）输出。从代码大、小的变更，即可判别正反方向和位移所处的位置，而无需判向电路。4）格雷码每次只变化一位。5）旋转编码器的格雷码也是循环码，其最高位与最低位同样遵循只变化一位的规律。3、单圈绝对式编码器 绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。旋转绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码。这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。4、多圈绝对式编码器 旋转绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则。如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对值编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。5、机械安装1）安装在高速端2）安装在低速端6、信号输出1）并行输出2）串行输出3）总线型输出4）变送一体型输出绝对值编码器信号输出有：并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出。1）并行输出： 绝对值编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出及时，连接简单。但是并行输出有如下问题：1. 必须是格雷码，因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。2. 所有接口必须确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判断。3. 传输距离不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。4. 对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。2）串行SSI输出： 串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和可靠性就大大提高了。一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。3）现场总线型输出现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号线连接在一起，通过设定地址，用通讯方式传输信号，信号的接收设备只需一个接口，就可以