机电一体化 课件 3.3.3 旋转编码器

3机电一体化检测传感技术任务3.3位移传感器──3.3.3旋转编码器的应用1增量式光电编码器2绝对式光电编码器任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

光电编码器是一种通过光电转换，将被测轴上的机械角位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

光电编码器主要用于机器人、数控机床等伺服轴或运动部件的位移(角位移)和移动速度的检测。光码盘分为透光式和反射式两种：任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

反射式光码盘一般是在玻璃圆盘的圆周上用真空镀镆的方法制成许多条可以反光的刻线，例如每转2500线，利用反射光进行测量，其发射光电管和接收光敏管位于光码盘的同侧。

透光式光码盘由光学玻璃制成，玻璃表面在真空中镀一层不透明的膜，然后在圆周的半径方向上，用照相腐蚀的方法制成许多条可以透光的狭缝和不透光的刻线，刻线的数量可达几百条或几千条；

光电编码器根据工作原理与用途不同，分为：增量式光电编码器、绝对式光电编码器两类。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

（b）内部结构增量式光电编码器结构图1.增量式光电编码器──（1）结构主要组成：光源（带聚光镜发射光电二极管)、光码盘、检测光栅板、接收光敏三极管、信号处理电路板。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

在光码盘上刻有1条零标志线Z条纹，每转时发一个脉冲，作为机床回参考点的基准点。每两个零脉冲标志对应丝杠移动的直线距离，称之为一个“栅格”，它等于一个丝杠螺距即导程L0。光源（带聚光镜发射光电二极管)：发射光电二极管光码盘：光码盘上刻有栅缝（透光式）或镀镆反射（反射式）的A相、B相条纹，该盘可随被测转轴一起转动。检测光栅板：在与光码盘很接近的距离上安装有检测光栅板，该光栅板不动，上刻有与光码盘相同的条纹。接收光敏三极管：将光信号转换为电脉冲信号信号处理电路板：将脉冲信号放大、整形处理后，输出序列方波脉冲信号最后方波脉冲信号送计数器中计数，计数值就反映了被测轴转过的角度任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

1.增量式光电编码器──（2）各结构部分作用增量式光电编码器的三条光栅：A相、B相、Z相A相与B相两相脉冲信号互差900电度角。Z相为零点标志信号，每转１圈输出一个脉冲，可作为回参考点时的零点位置基准点。判断出旋转方向。根据A相与B相两相脉冲信号的相位来判断被测轴的旋转方向。为了抗干扰，光电编码器的输出信号常以差动方式输出：只能测出相对于某个基准点的相对位置增量，不能直接检测出轴的绝对位置信息。光栅数目愈多每转脉转数愈多，所反映的位置精度就愈高。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

1.增量式光电编码器──（3）光学原理增量式光电编码器与伺服电动机同轴安装，只要电机转动，编码器就有脉冲输出。增量式光电编码器在电动机尾端同轴上的安装图增量式光电编码器间接测量工作台位移

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1.增量式光电编码器──（3）光学原理判断转向：

当A相超前B相90°电角度时，被测轴顺时针方向旋转；

当B相超前A相90°电角度时，被测轴逆时针方向旋转；

增量式光电编码器工作原理图检测转角：

增量式光电编码器是通过与被测轴一起转动时，对产生的序列方波脉冲计数来检测被测轴的旋转角度任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

1.增量式光电编码器──（3）光学原理增量式光电编码器的主要技术参数包括：每转脉冲数（p/r）、电源电压、输出信号相数和输出形式等。数控机床、机器人等常用的增量式编码器每转脉冲数有2000p/r、2500p/r和3000p/r等，若再进行脉冲变频技术的处理如4倍频处理，位置测量精度能达到μm级。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

1.增量式光电编码器──（4）技术参数四倍频技术与分辨率

在数控机床位置控制中，为提高分辨率，常对A相、B相差动脉冲信号的上升沿与下降沿进行微分处理，得到一个新的四倍频脉冲信号。

经四倍频处理后提高了光码盘的位置分辨率与反馈精度。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

增量光电编码器四倍频信号任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

四倍频技术与分辨率

例如：当选用脉冲编码器2000p/r（脉冲/每转），进给伺服电动机直接驱动滚珠丝杠带动刀架或工作台，丝杠螺距L0若为8mm，经四倍频细分后，光电编码器变为8000p/r，则位置反馈分辨率或反馈精度为：

机床厂常以此计算公式，来初选伺服电动机编码器线数(p/r)，因为线数愈高价格愈高。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

四倍频技术与分辨率

增量式编码器在运动轴静止时就没有信号输出，而且在停电时位置信息就丢失。可是在数控机床、机器人等的运动机械控制中常常要求一开机就需要立即知道准确位置，如机械手底座旋转角度位置信息，这就需要用绝对式编码器。

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2.绝对式光电编码器

绝对式光电编码器是一种直接编码式的测量元件。它能把被测转角转换成相应代码指示的绝对位置，没有积累误差。其编码器有光电式、接触式和电磁式三种，通常用光电式编码器。

被测转角相应代码指示的绝对位置任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

2.绝对式光电编码器──（1）工作原理任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

2.绝对式光电编码器──（1）工作原理

在绝对编码器光码盘上，有许多由里至外的刻线码道，每道刻线依次为以2线、4线、8线、16线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过n个光栅读取每道刻线的明、暗就获得一组从20向2n-l变化的唯一编码，称为n位绝对编码器。现以接触式四位绝对编码器为例，来说明其工作原理任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

2.绝对式光电编码器──（1）工作原理为提高码转换的可靠性降低误码率常用格雷码，格雷码的特点是当码区转换时编码只需变化一位。如表所示的当第7码区向第8码区转换时，二进制码需改变4位，而格雷码只需变化最高位1位。绝对式光电编码器一般都带有后备电池保护数据，在断电时位置信号不会丢失。但需注意后备电池电压的监控与更换，特别是对长久不开的数控机床，绝对编码器后备电池得不到及时充电，数据会因电池电压的不足而丢失。

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2.绝对式光电编码器──（2）用格雷码编码表3.1格雷码编码表任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

4位绝对式光电编码器工作原理图任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

2.绝对式光电编码器──（2）用格雷码编码

在数控机床与机器人的交、直流伺服控制系统中，光电编码器被广泛应用为位移、速度测量与反馈的传感器。也可用作主轴交流异步电动机的转子位置检测器，在矢量变频坐标变换计算中使用。在用作位置测量反馈信号的同时，如果用F/V转换器（频率-电压转换器）将编码器输出的序列脉冲转换为与脉冲频率成正比的信号电压，可用作伺服电机速度的反馈信号。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

2.光电编码器的应用剪切机钢板定长切割控制1-控制器2-加工板料3-传送带4-进给驱轮

5-切刀6-增量式编码器7-成品转盘工位控制1-绝对式编码器2-伺服电动机3-转轴4-转盘5-工件6-刀具任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

光电编码器在机械自动化中还有其它很多用途，例如钢板定长切割控制中用到增量式光电编码器、在转盘工位控制中则用到绝对式光电编码器。因为钢板定长切割每次定长计量可归零，而后者则要求转盘转完一个工位后记忆当前工位位置磁电式旋转编码器与