增量式旋轉編碼器的簡介與應用

摘要：在自動控制系統(tǒng)中，編碼器應用越來越廣泛，不僅可以實現(xiàn)定位控制，而且能檢測出轉向及速度等信息。本文從增量式旋轉編碼器的工作原理、選型及應用三個方面進行闡述，讓我們對增量式旋轉編碼器有一定認識，簡述了增量式旋轉編碼器在PLC控制系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)中的應用方法，為今后的在控制系統(tǒng)中靈活應用增量式旋轉編碼器打好基礎。

關鍵詞：增量式 編碼器 應用

中圖分類號：TH724 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0118-02

編碼器是一種光電式旋轉測量裝置，主要應用于工業(yè)控制中定位控制，使用時通過聯(lián)軸器將旋轉編碼器安裝在旋轉軸上，構成一個半閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，編碼器可以將被測的角位移量或直線位移量轉換成電信號，控制器根據(jù)編碼器輸出的電信號可以實現(xiàn)對運動的方向、位置及速度進行檢測控制。

編碼器按照其工作原理可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼，根據(jù)起始和終止位置信息，可以到位移量。絕對式編碼器通過讀取輸出的數(shù)字碼可以得到位置信息，其輸出線與數(shù)字碼位數(shù)有關，且價格相對較貴，而增量式編碼器輸出脈沖信號，通過單片機或PLC對脈沖信號進行處理，就能夠得到運動的位置、速度等信息，價格相對便宜，應用較為廣泛。本文以增量式旋轉編碼器為例進行說明。

1 增量式旋轉編碼器的組成及工作原理

典型的增量式光電旋轉編碼器由碼盤、檢測光柵、光電轉換電路（包括光源、光敏器件、信號轉換電路）、機械部件等組成，如圖1所示。碼盤和光柵板上刻有透光縫隙，當碼盤隨被測轉軸旋轉時，檢測光柵不動，每轉過一個縫隙，光線透過碼盤和檢測光柵上的縫隙照射到光電檢測器件上，光電管會感受到一次光線的明暗變化，并將光線的明暗變化轉變成近似于正弦波的電信號，經(jīng)過整形和放大等處理，變換成脈沖信號。

增量式旋轉編碼器一般有三組信號A相、B相、Z相輸出，在檢測光柵上刻兩組的透光縫隙，彼此錯開1/4節(jié)距，使得光電檢測器件輸出的信號（A相、B相）在相位上相差90°。此外，在光電碼盤的里圈里還有一條透光縫隙，碼盤每轉一圈產(chǎn)生一個脈沖（Z相），該脈沖信號稱為零標志脈沖，作為測量基準。

當編碼器隨被測軸正（反）轉時，A相、B相、Z相輸出的信號如圖2、3所示。編碼器旋轉一圈輸出A相或B相脈沖的個數(shù)，主要由碼盤上的透光縫隙決定。

由圖2、3可知，正轉時A相超前B相90°，反轉時A相超前B相90°，因此可根據(jù)A相、B相信號的相位關系測出被測軸的轉動方向。另外根據(jù)A相或B相脈沖的數(shù)目可測出被測軸的角位移，脈沖的頻率可測出被測軸的轉速。Z相在編碼器每轉一圈時會產(chǎn)生一個脈沖，可作為被測軸的定位基準信號，也可用來測量被測軸的旋轉圈數(shù)計數(shù)信號。

2 增量式旋轉編碼器的選用

在選用增量式旋轉編碼器時，我們主要從分辨率、信號輸出形式、工作電壓、軸徑及外形尺寸等方面考慮。

2.1 分辨率

編碼器分辨率可以用線數(shù)、每轉脈沖數(shù)（PPR）等來描述，它表示編碼器旋轉一圈A相或B相輸出脈沖的個數(shù)，脈沖數(shù)越多精度越高，價格越貴。

2.2 信號輸出形式

①集電極開路：集電極開路分為NPN型和PNP型，當編碼器與PLC連接時，NPN型應與漏型輸入的PLC連接，PNP型應與源型輸入的PLC連接；當編碼器與單片機連接時，應加上拉電阻（NPN型）或下拉電阻（PNP型）。

②電壓輸出：在NPN型集電極開路輸出的基礎上增加了上拉電阻。

③互補對稱推挽輸出：輸出電路由NPN和PNP型兩個三極管組成，驅動能力強。

④長線輸出驅動：采用專用的線驅動芯片，為每路輸出提供一個反向信號（A+/A-、B+/B-、Z+/Z-），信號以差分形式輸出，抗干擾能力強，傳輸距離較遠。

2.3 工作電壓

工作電壓有5V、12V、24V、5—24V等，根據(jù)現(xiàn)場需要選用合適的編碼器。

2.4 軸徑及外形尺寸

根據(jù)傳動軸、聯(lián)軸器以及安裝環(huán)境選擇合適軸徑和外形尺寸的編碼器。

3 增量式旋轉編碼器在自動控制中的應用

3.1 增量式旋轉編碼在PLC控制系統(tǒng)中的應用

如圖4所示，以三菱FX系列PLC作為控制器，由于編碼器輸出脈沖頻率相對較高，因此需采用PLC內(nèi)部的高速計數(shù)器進行計數(shù)，例如我們采用雙相輸入高速計數(shù)器C251，A相脈沖輸入到X0，B相脈沖輸入到X1，當使轉動軸正轉時，A相脈沖超前B相脈沖90°，高速計數(shù)器C251實現(xiàn)加計數(shù)，M8251狀態(tài)為OFF，當使轉動軸反轉時， B相脈沖超前A相脈沖90°，高速計數(shù)器C251實現(xiàn)減計數(shù)，M8251狀態(tài)為ON。正反轉的信息可以通過M8251狀態(tài)反映出來，位移量可以通過高速計數(shù)器的計數(shù)值反映出來。

旋轉的圈數(shù)與輸出脈沖之間的關系為：旋轉的圈數(shù)=輸出脈沖數(shù)/每圈脈沖數(shù)。如果將編碼器安裝在與電機同軸的絲桿上，絲杠的螺距確定后，我們可以通過運算得出運動的距離（旋轉的圈數(shù)*絲杠的螺距）。另外利用PLC速度檢測指令SPD可以計算出運動的速度。

3.2 增量式旋轉編碼在單片機控制系統(tǒng)中的應用

如圖5所示以AT89S51單片機作為控制器，我們可以將編碼器的A相脈沖作為外部中斷信號送入單片機的P3.2，B相脈沖作為一個輸入信號送入單片機的任意輸入口（如P3.0），編碼器的檢測各個狀態(tài)利用LCD12864顯示出來。

編程時需開放外部中斷0，且為下降沿觸發(fā)，在中斷程序中判斷P3.0口的信號，根據(jù)圖2、3可以看出，當A相為下降沿且B相為高電平時，編碼器此時為正轉，計數(shù)變量加1計數(shù)；當A相為下降沿且B相為低電平時，編碼器此時為反轉，計數(shù)變量減1計數(shù)；由此可以判斷出旋轉方向以及旋轉的圈數(shù)。另外為了計算出旋轉的速度，可以在計數(shù)時開放定時器，計算出一定時間內(nèi)脈沖的個數(shù)，然后根據(jù)此值計算出運動的速度。

收稿日期：2016-08-17

作者簡介：王小祥（1980—），男，漢族，江蘇東臺人，工學學士學位，一級實習指導教師，主要從事自動控制方向研究教學。