庫伯勒光電編碼器的工作原理及應用分析
一、庫伯勒光電編碼器的工作原理
庫伯勒光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用zui多的傳感器，庫伯勒光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(cháng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機同軸，電動(dòng)機旋轉時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機同速旋轉，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖1所示；通過(guò)計算每秒庫伯勒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數就能反映當前電動(dòng)機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤(pán)還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號。
根據檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、式以及混合式三種。
（一）庫伯勒增量式編碼器
增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個(gè)脈沖，用于基準點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構造簡(jiǎn)單，機械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長(cháng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉動(dòng)的位置信息。
（二）庫伯勒式編碼器
編碼器是直接輸出數字量的傳感器，在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區相間組成，相鄰碼道的扇區數目是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數就是它的二進(jìn)制數碼的位數，在碼盤(pán)的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件；當碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進(jìn)制數。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對應的數字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤(pán)必須有N條碼道。目前國內已有16位的編碼器產(chǎn)品。
式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方式進(jìn)行光電轉換的。式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤(pán)上透光、不透光的線(xiàn)條圖形，編碼器可有若干編碼，根據讀出碼盤(pán)上的編碼，檢測位置。編碼的設計可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補碼等。它的特點(diǎn)是：
1．可以直接讀出角度坐標的值；
2．沒(méi)有累積誤差；
3．電源切除后位置信息不會(huì )丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數來(lái)決定的，也就是說(shuō)精度取決于位數，目前有10位、14位等多種。
（三）庫伯勒混合式值編碼器
混合式值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有信息功能；另一組則*同增量式編碼器的輸出信息。庫伯勒光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉換原理 轉換成相應的電脈沖或數字量，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應用于數控機床、回轉臺、伺服傳動(dòng)、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。
二、庫伯勒光電編碼器的應用電路
（一）EPC－75庫伯勒光電編碼器的應用
EPC－75庫伯勒光電編碼器具備良好的使用性能，在角度測量、位移測量時(shí)抗干擾能力很強，并具有穩定可靠的輸出脈沖信號，且該脈沖信號經(jīng)計數后可得到被測量的數字信號。因此，我們在研制汽車(chē)駕駛模擬器時(shí)，對方向盤(pán)旋轉角度的測量選用EPC－75庫伯勒光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開(kāi)路型，輸出分辨率選用360個(gè)脈沖/圈，考慮到汽車(chē)方向盤(pán)轉動(dòng)是雙向的，既可順時(shí)針旋轉，也可逆時(shí)針旋轉，需要對編碼器的輸出信號鑒相后才能計數。圖2給出了庫伯勒光電編碼器實(shí)際使用的鑒相與雙向計數電路，鑒相電路用1個(gè)D觸發(fā)器和2個(gè)與非門(mén)組成，計數電路用3片74LS193組成
當庫伯勒光電編碼器順時(shí)針旋轉時(shí)，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°，D觸發(fā)器輸出Q（波形W1）為高電平，Q（波形W2）為低電平，上面與非門(mén)打開(kāi)，計數脈沖通過(guò)（波形W3），送至雙向計數器74LS193的加脈沖輸入端CU，進(jìn)行加法計數；此時(shí)，下面與非門(mén)關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W4）。當庫伯勒光電編碼器逆時(shí)針旋轉時(shí)，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，D觸發(fā)器輸出Q（波形W1）為低電平，Q（波形W2）為高電平，上面與非門(mén)關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W3）；此時(shí)，下面與非門(mén)打開(kāi)，計數脈沖通過(guò)（波形W4），送至雙向計數器74LS193的減脈沖輸入端CD，進(jìn)行減法計數。
汽車(chē)方向盤(pán)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉時(shí)，其zui大旋轉角度均為兩圈半，選用分辨率為360個(gè)脈沖/圈的編碼器，其zui大輸出脈沖數為900個(gè)；實(shí)際使用的計數電路用3片74LS193組成，在系統上電初始化時(shí)，先對其進(jìn)行復位（CLR信號），再將其初值設為800H，即2048（LD信號）；如此，當方向盤(pán)順時(shí)針旋轉時(shí)，計數電路的輸出范圍為2048～2948，當方向盤(pán)逆時(shí)針旋轉時(shí)，計數電路的輸出范圍為2048～1148；計數電路的數據輸出D0～D11送至數據處理電路。
實(shí)際使用時(shí)，方向盤(pán)頻繁地進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針轉動(dòng)，由于存在量化誤差，工作較長(cháng)一段時(shí)間后，方向盤(pán)回中時(shí)計數電路輸出可能不是2048，而是有幾個(gè)字的偏差；為解決這一問(wèn)題，我們增加了一個(gè)方向盤(pán)回中檢測電路，系統工作后，數據處理電路在模擬器處于非操作狀態(tài)時(shí)，系統檢測回中檢測電路，若方向盤(pán)處于回中狀態(tài)，而計數電路的數據輸出不是2048，可對計數電路進(jìn)行復位，并重新設置初值。
（二）庫伯勒光電編碼器在重力測量?jì)x中的應用
采用旋轉式庫伯勒光電編碼器，把它的轉軸與重力測量?jì)x中補償旋鈕軸相連。重力測量?jì)x中補償旋鈕的角位移量轉化為某種電信號量；旋轉式庫伯勒光電編碼器分兩種，編碼器和增量編碼器。
增量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器，其碼盤(pán)比編碼器碼盤(pán)要簡(jiǎn)單得多且分辨率更高 。一般只需要三條碼道，這里的碼道實(shí)際上已不具有編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生計數脈沖。它的碼盤(pán)的外道和中間道有數目相同均勻分布的透光和不透光的扇形區（光柵），但是兩道扇區相互錯開(kāi)半個(gè)區。當碼盤(pán)轉動(dòng)時(shí)，它的輸出信號是相位差為90°的A相和B相脈沖 信號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號（它作為碼盤(pán)的基準位置，給計數系統提供一個(gè)初始的零位信號）。從A，B兩個(gè)輸出信號的相位關(guān)系（超前或滯后）可判斷旋轉的方向。當碼盤(pán)正轉時(shí)，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉時(shí) ，A道脈沖比B道滯后π/2。是一實(shí)際電路，用A道整形波的下沿觸發(fā)單穩態(tài) 產(chǎn)生的正脈沖與B道整形波相‘與’，當碼盤(pán)正轉時(shí)只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據輸出脈沖源和脈沖計數來(lái)確定碼盤(pán)的轉動(dòng)方向和相對角位移量。通常，若編碼器有N個(gè)（碼道）輸出信號，其相位差為π/ N，可計數脈沖為2N倍光柵數，現在N=2。電路的缺點(diǎn)是有時(shí)會(huì )產(chǎn)生誤記脈沖造成誤差， 這種情況出現在當某一道信號處于“高"或“低"電平狀態(tài)，而另一道信號正處于“高"和 “低"之間的往返變化狀態(tài)，此時(shí)碼盤(pán)雖然未產(chǎn)生位移，但是會(huì )產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。例如，碼盤(pán)發(fā)生抖動(dòng)或手動(dòng)對準位置時(shí)（下面可以看到，在重力儀測量時(shí)就會(huì )有這種情況）。是一個(gè)既能防止誤脈沖又能提高分辨率的四倍頻細分電路。在這里，采用了有記憶功能的D型觸發(fā)器和時(shí)鐘發(fā)生電路。每一道有兩個(gè)D觸發(fā)器串接，這樣，在時(shí)鐘脈 沖的間隔中，兩個(gè)Q端（如對應B道的74LS175的第2、7引腳）保持前兩個(gè)時(shí)鐘期的輸入 狀態(tài)，若兩者相同，則表示時(shí)鐘間隔中無(wú)變化；否則，可以根據兩者關(guān)系判斷出它的變化方 向，從而產(chǎn)生‘正向’或‘反向’輸出脈沖。當某道由于振動(dòng)在‘高’、‘低’間往復變化 時(shí)，將交替產(chǎn)生‘正向’和‘反向’脈沖，這在對兩個(gè)計數器取代數和時(shí)就可消除它們的影響（下面儀器的讀數也將涉及這點(diǎn)）。由此可見(jiàn)，時(shí)鐘發(fā)生器的頻率應大于振動(dòng)頻率的可能 zui大值。由圖4還可看出，在原一個(gè)脈沖信號的周期內，得到了四個(gè)計數脈沖。例如，原每圈脈沖數為1000的編碼器可產(chǎn)生4倍頻的脈沖數是4000個(gè)，其分辨率為0.09°。實(shí)際上 ，目前這類(lèi)傳感器產(chǎn)品都將光敏元件輸出信號的放大整形等電路與傳感檢測元件封裝在一起，所以只要加上細分與計數電路就可以組成一個(gè)角位移測量系統（74159是4-16譯碼器）。

庫伯勒光電編碼器的工作原理及應用分析