光電編碼器的原理及應用

趙雄飛

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

光電編碼器的原理及應用

趙雄飛

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

介紹了光電編碼器的基本功能和原理。分析了絕對值編碼器和增量型編碼器的結構特點、信號傳輸方式及選用標準。應用編碼器控制后，有效地改善了設備的整體性能，明顯提高了重復定位的精度，保證了生產的穩定順行。

光電編碼器；絕對值編碼器；增量型編碼器；信號傳輸方式

1　引言

編碼器是一種通過信號轉換原理把輸出軸上的機械位移量轉化為脈沖信號或者數字量的傳感器。這是傳感器在目前應用非常廣泛。按照工作原理劃分，編碼器主要可以分為光電式、磁式、感應式和電容式。本文主要介紹光電式編碼器。光電型編碼器主要可以分為增量型和絕對值型。

2　增量型編碼器

增量型編碼器是一種用來測量轉速的裝置，其中有單路脈沖和雙路輸出。單路脈沖是指編碼器的輸出只有一組脈沖，只能測量出轉速，但無法判斷出旋轉方向。而雙路輸出的旋轉編碼器可以輸出兩組脈沖，這兩組脈沖存在90°的相位差，在這兩組脈沖的幫助下，編碼器可以測量實際轉速，并判斷出旋轉的方向。

2.1工作原理

圖1　編碼器

此類編碼器由一個有中心軸的圓形光電碼盤，在其上有環形的亮、暗刻線，在光電碼盤的兩側的光電發射器和接收器（見圖1），由光電接收器讀取，經過放大整形，獲得正弦波信號A、B、兩組正弦波有90°相位差。由于A與B相存在90°的相位差，所以可以通過A相和B相哪相在前來判斷編碼器是正轉還是反轉。編碼器每旋轉一周都會輸出一個Z相脈沖作為零位信號，通過零位脈沖，可獲得編碼器零位參考位［1］。編碼器的碼盤的材質有很多種，主要包括玻璃，金屬以及塑料。編碼器分辨率是指編碼器每旋轉360°有多少亮、暗刻線。一般的分辨率在5～10 000之間。

2.2信號輸出類型

信號輸出類型包括正弦波（電壓或者電流），方波（HTL、TTL）、開集級電路（PNP、NPN）。其中TTL方波為長線差分驅動，對稱A，A-；B，B-；Z，Z-。方波HTL又被稱為推拉式或者推挽式輸出。在方波TTL信號輸出的編碼器中，如果是采用有對稱負信號輸出的連接方式，信號傳輸距離可以達到150 m。如果是采用對稱負信號輸出的HTL編碼器，信號傳輸距離更可達到300m。

3　絕對值編碼器

絕對值編碼器是一種用來確定位置的裝置，對應不同的機械位置，可以輸出唯一的二進制編碼，不需要參考點，不需要連續計數，切斷電源后位置信息不丟失，精確度和抗干擾度高。

3.1工作原理

絕對值編碼器的碼盤上也有著光暗通道刻線，每一道刻線是依次按2線、4線、8線、16線等來編排，在編碼器每一個位置，都可以通過讀取刻線的光暗情況，得到一組唯一的二進制編碼（格雷碼），這就是絕對值編碼器的工作原理。絕對值編碼器又分為旋轉單圈絕對值編碼器和多圈絕對值編碼器［2］。

單圈絕對值編碼器（見圖2），在轉動中測量光電碼盤上的光暗刻線，得到位移的格雷碼（在編碼中，如果任意兩個相鄰代碼只有一位二進制數不同，則這種編碼被稱為格雷碼），但當旋轉角度超過360°時，格雷碼會回到原點，違背了絕對值編碼器的格雷碼與實際位置一一對應的原則，所以這種編碼器只能用于轉動角度范圍不超過360°的現場情況，因此被稱為單圈絕對值編碼器。

圖2　單圈絕對值編碼器

多圈絕對值編碼器（見圖3）是應用了鐘表齒輪機械的原理，在中心光電碼盤旋轉時，會通過齒輪帶動另一組或多組光電碼盤，被帶動的光電碼盤是用來定義編碼器旋轉的圈數，在單圈的格雷碼的基礎上增加圈數的編碼，成功地擴大了絕對值編碼器的測量范圍。因為多圈絕對值編碼器測量范圍很大，實際使用中經常會有很大的空余量程，這也簡化了編碼器的安裝過程，無需再尋找零點，將中間的某一位置作為零點即可。

圖3　多圈絕對值編碼器

3.2絕對值編碼器的信號輸出

絕對值編碼器信號輸出主要包括4種方式，分別是串行輸出、并行輸出、總線型輸出和變送一體輸出。

串行輸出是通過協議，時間上有先后順序的數據輸出，我們把這種協議稱為通訊規約。在連接的物理方式選擇上包括了RS232、RS485、RS422（TTL）等。串行輸出的特點是接線少，可以遠距離傳輸，使得編碼器的可靠性得到提升，一般的高位數絕對值編碼器都是使用串行輸出的。

并行輸出是在接口上有多點的高電平與低電平輸出，代表了格雷碼的0和1，一般位數不多的絕對值編碼器，大多直接用這種方法輸出編碼，可以接入PLC或者上位機的I/O接口，能做到即時輸出，并且連接較為簡單，但是并行編碼器同時也存在著許多問題。首先，必須使用格雷碼，如果使用純二進制編碼，可能會在數據刷新時造成有多位變化，短時間內讀數會形成亂碼；其次，絕對值編碼器一般位數較多，要采用多芯電纜，而且所有接口必須保證連接良好，個別的連接不良，會使該點的電位始終為0，形成錯碼，提升了工程難度，并且帶來了編碼器故障點增多的弊病；最后，傳輸距離不能太遠，而且抗干擾較弱，在復雜環境下需要有屏蔽。

現場總線型輸出是一種把幾個編碼器各用一對信號線連接起來，分別設定地址后通過通訊的方式來傳輸信號，接收信號的設備只需要一個接口就可以讀取幾個編碼器的信號。總線型編碼器使用RS485的物理形式，信號的編排方式（通訊規約）目前并未統一，常用的包括：CAN、PROFIBUS-DP、Interbus和DeviceNet等。總線型編碼器的特點是傳輸距離長，而且在多個編碼器集中控制的情況下可以大大節省線纜與接口的成本。

變送一體型是把編碼信號在編碼器內部就換算為4～20mA輸出、14位并行輸出、RS485數字輸出等方式［3］。

4　光電編碼器的應用與特點

光電編碼器集光、機、電于一體的同時，具備了精度高、體積小、使用簡單可靠等優勢，在許多領域都得到了廣泛的應用。

4.1增量型編碼器的實際應用與特點

在實際生產中，增量編碼器的應用很多，以連鑄板坯為例，在扇形段輥道電機上就安裝有增量編碼器，經過輥道電機傳動，鋼坯向前運動，而輥道電機在轉動同時帶動了編碼器同步轉動，通過編碼器就可以得到鋼坯的運動速度。在精煉爐的喂絲機系統中，喂絲長度計算同樣使用增量型編碼器。

增量型編碼器有著構造簡單，機械壽命長，抗干擾能力強，適合速度和長度傳輸，可靠性高的優點，缺點是不能直觀的輸出位置信號。

4.2絕對值編碼器的實際應用與特點

在煉鋼過程中，轉爐氧槍編碼器就是采用的絕對值編碼器，編碼器安裝在氧槍電機的減速機上，當電機啟動帶動減速機轉動的同時，編碼器也會轉動，電機轉動時編碼器會輸出不同的二進制編碼，根據這些編碼就可以得到氧槍的位置。

絕對值編碼器有高位數分辨率的特征，且其機械位置決定的每個位置是唯一的，無需找參考點，所以抗干擾性和可靠性更高，有很好的定位功能。

5　結束語

光電編碼器的精準控制特性，在煉鋼工序中起到了巨大的作用。在采用了編碼器控制后，有效地改善了設備的整體性能，重復定位的精度明顯提高。因其低成本、高精度，編碼器在現代鋼鐵企業中的應用也變得越來越廣泛。但由于光電編碼器在復雜環境下容易受外部影響造成損壞，所以我們必須提高對編碼器的認識，并采取適當的措施，保證其穩定工作，為車間內平穩有序的生產打下良好的基礎。

［1］葉盛祥.光電位移精密測量技術［M］.新疆：新疆科技衛生出版社，2003.

［2］方建軍.光機電一體化系統接口技術［M］.北京：化學工業出版社，2003：60-65.

Princip le and App lication of Photoelectric Encoder

ZHAO Xiong-fei
（Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

The basic function and principle of photoelectric encoder are introduced and the structure characteristic，signal transmission mode and selection standard of absolute encoder and incremental encoder analyzed.After the application of encoder control，the overall performance of the equipment was effectively improved and resetting accuracy increased.Stable and smooth production was ensured.

photoelectric encoder；absolute encoder；incremental encoder；signal；transmissionmode

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.013

2016-03-07

2016-04-07

趙雄飛（1984—），男，天津人，本科，主要從事自動化方面的研究工作。