编码器工作原理

1.旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出

两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电

电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的

旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以

测量转速，还可以判断旋转的方向。

旋转编码器是用来控制机构在不同状态下执行不同指令的装置。普通

旋转编码器的工作角度不大于360。，在工作角度内，不同位置其Pin脚

的通断状况会有所不同，而对应的各位置的通断状况不会有变化。比

如，在2（T时Pin脚状况是通、通、断，180°时是通、断、通，290P时是断、

通、断，当旋转编码器返回到290。时，其Pin脚的通断状况仍然是断、

通、断，返回到180。时仍是通、断、通，20。时仍是通、通、断。就是

利用这种特性来实现控制机构在不同状态下执行不同指令的。在家电

中常有应用，比如录象机、多碟DVD等。

编码器最常用的有增量式和绝对式的，多靠光电原理检测。

增量式的编码器断电后参考点消失，绝对值型的断电能够保持。所以

用绝对值型的编码器做的伺服装置失电后可以不用寻觅参考点，而增

量式的编码器每次设备上电后都必须寻觅参考点。

绝对值的有零点和清点的设置，和楼上说的一样，表示的对应设置的

位置，即使掉电，也能保持，多用于象闸门的开/关。增量值则没有

零点（也就是范围的设置），可以向来接收脉冲信号，那末回原点就

要有参考点了，可以用程序或者相关的其它硬件匡助寻觅。

一、光电编码器的工作原理

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

成脉冲或者数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码

器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等

分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时,

光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置

检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电

编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋

转方向，码盘还可提供相位相差90o的两路脉冲信号。

光源选馁码盘透何先的元侔荤野

图1光电编码器原理示意图

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据

其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

（一）增量式编码器

增量式编码器是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90o,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。

（二）绝对式编码器

绝对编码器是直接输出数字量的传感器，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。目前国内已有16位的绝对编码器产品。

绝对式编码器是利用自然二进制或者循环二进制（葛莱码）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法制码、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.没有积累误差；

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。

（三）混合式绝对值编码器

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；另一组则彻底同增量式编码器的输出信息。

光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，

利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或者数字量，具有体积小，精

度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、

伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设

备中。

二、光电编码器的应用电路

（一）EPC-755A光电编码器的应用

EPC—755A光电编玛器具备良好的使用性能，在角度测量、位移测

量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲

信号经计数后可得到被测量的数字信号。因此，我们在研制汽车驾

驶摹拟器时，对方向盘旋转角度的测量选用EPC—755A光电编码器

作为传感

器，其输出电路选用集电极开路型，输出分辨率选用360个脉冲/圈，考

虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需

要对编码器的输出信号鉴相后才干计数。图2给出了光电编码器实际

使用的鉴相与双向计数电路，鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组

成，计数电路用3片74LS193组成。

F0Q0DO

plQ1DI

OUT-L

p2Q2D2

p3Q3

cuTCUD3

OUT-BcrTCD

CL

OUT-AW2ME

74LS193

I

P0D0ILD4

P1D1I

LD5

P2D2ID6

P3D3aID7

CV

CUI

MJ.

74LS193

P

D8

OUT-AIP1D9

VCCD0

OUT-BIP2WDIO

W1IP3Dll

ICUD2

V2ICDD3

V3ICLTCU

W4MRTCD

74LS193

CLZ

LD

图2光电编码器鉴相讨数电路

当光电编码器顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B输出波形90°

，D触发器输出Q（波形W1）为高电平，Q（波形W2）为低电平，上面

与非门打开，计数脉冲通过（波形W3）,送至双向计数器74LS

193的加脉冲输入端CU,进行加法计数；此时，下面与非门关闭，其

输出为高电平（波形W4）。当光电编码器逆时针旋转时，通道A输

出波形比通道B输出波形延迟90°,D触发器输出Q（波形W1）为低电

平，Q（波形W2）为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平（波形

W3）；此时，卜面与非门打开，计数脉冲通过（波形W4）,送至双

向计数器74LS193的减脉冲输入端CD,进行减法计数。

汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时，其最大旋转角度均为两圈半，选

用分辨率为360个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉冲数为900个；实

际使用的计数电路用3片74LS193组成，在系统上电初始化时，先对其

进行复位（CLR信号），再将其初值设为800H,即2048（LD信号）；

如此，当方向盘顺时针旋转时，计数电路的输出范围为2（M8〜2948,当

方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为2048〜1148；计数电路

的数据输出DO~D11送至数据处理电路。

实际使用时，方向盘频繁地进行顺时针和逆时针转动，由于存在量化

误差，工作较长一段时间后，方向盘回中时计数电路输出可能不是2

048,而是有几个字的偏差；为解决这一问题，我们增加了一个方向

盘回中检测电路，系统工作后，数据处理弓路在摹拟器处于非操作状

态时，系统检测回中检测电路，若方向盘处于回中状态，而计数电路

的数据输出不是2048,可对计数电路进行复位，并重新设置初值。

（二）光电编码器在重力测量仪中的应用

采用旋转式光电编玛器，把它的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相

连。重力测量仪中补偿旋钮的角位移量转化为某种电信号量；旋转式

光电编码器分两种，绝对编码器和增量编码器。

增量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对编码器码盘要

简单得多且分辨率更高。普通只需要三条码道，这里的码道实际上已

不具有绝对编码器码道的意义，而是产生计数脉冲。它的码盘的外

道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），

但是两道扇区相互错开半个区。当码盘转动时，它的输出信号是相位

差为90。的A相和B相脉冲信号以及惟独一条透光狭缝的第三码道所

产生的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数系统提供一个初

始的零位信号）。从A,B两个输出信号的相位关系（超前或者滞后）可

判断旋转的方向。由图3（a）可见，当码盘正转时，A道脉冲波形比B道

超前加2,而反转时，A道脉冲比B道滞后加2。图3（b）是一实际电路，

用A道整形波的下沿触发单稳态产生的正脉冲与B道整形波相，与，，

当码盘正转时惟独正向口脉冲输出，反之，惟独逆向口脉冲输出。因

此，增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向

和相对角位移量。通常，若编码器有N个（码道）输出信号，其相位差

为山N,可计数脉冲为2N倍光栅数，现在N=2。图3电路的缺点是有

时会产生误记脉冲造成误差，这种情况浮现在当某一道信号处于“高”

或者"低''电平状态，而另一道信号正处于"高''和"低''之间的往返变化

状态，此时码盘虽然未产生

位移，但是会产生单方向的输出脉冲。例如，码盘发生颤动或者手动

对准位置时（下面可以看到，在重力仪测量时就会有这种情况）。

通道

则TJTTLrLTU-LJTJ

正向脉冲：nnmnnnrm

逆向脉i中innnnnnnnnnnnrr

(a)

通道

B通道

(b)

图3增量光电编码器基本波形和电路

逆方向v—•一►正方应

.TTT_FT_rcrL_n__rL_r

B通道-u_Ln-rLrLTLrtJ

正向脉冲

innnnnnnnnnnn厂

逆向脉冲iminnnnnnnni

图4是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。在这

里，采用了有记忆功能的D型触发器和时钟发生电路。由图4可见，

每一道有两个D触发器串接，这样，在时钟脉冲的间隔中，两个Q

端（如对应B道的74LS175的第2、7引脚）保持前两个时钟期的输入

状态，若两者相同，则表示时钟间隔中无变化；否则，可以根据两

者关系判断出它的变化方向，从而产生，正向，或者，反向，输出脉冲。

当某道由于振动在，高，、，低，间往复变化时，将交替产生，正向，木「反

向‘脉冲，这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影响（下面

仪器的读数也将涉及这点）.由此可见，时钟发

生器的频率应大于振动频率的可能最大值。由图4还可看出，在原

一个脉冲信号的周期内，得到了四个计数脉冲。例如，原每圈脉冲

数为l(XX)的编码器可产生4倍频的脉冲数是4(X)()个，其分辨率为0.09%

实际上，目前这种传感器产品都将光敏元件输出信号的放大整形等

电路与传感检测兀件封装在一起，所以只要加之细分与计数电路就

可以组成一个角位移测量系统(74159是4-16译码器)。

三、应用中问题分析及改进措施

(一)应用中问题分析

光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场，在使用中暴露出

许多缺陷，其有内在因素也有外在因素，主要表现在以下几个方面：

1.发射装置或者接受装置因机械震动等原于是引起的移位或者偏移,

导致接收装置不能可靠的接收到光信号，而不能产生电信号。例如；

光电编码器应用在轧钢调速系统中，因光电编码器是直接用螺栓固定

在电动机的外壳上，光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动机转轴

相连接，因电动机所带负载是冲击性负载，当轧机过钢时会引起电动

机转轴和外壳的振动。经测定；过钢时光电编码器振动速度为2.6mn)/s,

这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能。造成误发脉冲，从而

导致控制系统不稳定或者误动作，导致事故发生。

2.因光电检测装置安装在生产现场，受生产现场环境因素影响导致

光电检测装置不能可靠的工作。如安装部位温度高、湿度大，导致光

电检测装置内部的弓子元件特性改变或者损坏。例如在连铸机送引锭

跟踪系统，由于光电检测装置安装的位置挨近铸坯，环境温度高而导

致光电检测装置误发出信号或者损坏，而引起生产或者人身事故。

3.生产现场的各种电磁干扰源，对光电检测装置产生的干扰，导致

光电检测装置输出波形发生畸变失真，使系统误动或者引起生产事故。

例如；光电检测装置安装在生产设备本体，其信号经电缆传输至控制

系统的距离普通在20m~100m,传输电缆虽然普通都选用多芯屏蔽电

缆，但由于电缆的导线电阻及线间电容的影响再加之和其他电缆同在

一起敷设，极易受到各种电磁干扰的影响，因此引起波形失真，从而

使反馈到调速系统的信号与实际值的偏差，而导致系统精度下降。

（二）改进措施

1.改变光电编码器的安装方式。光电编码器不在安装在电动机外壳

上，而是在电动机的基础上制作一固定支架来独立安装光电编码器，

光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度，两轴采用软橡

胶或者尼龙软管相连接，以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械

冲击。采用此方式后经测振仪检测，其振动速度降至

2.合理选择光电检测装置输出信号传输介质，采用双绞屏蔽电缆取

代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性，一是对电

缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力，因为空间电磁场在线上产生

的干扰电流可以互相抵消。双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后

两线间距很小，两线对干扰路线的距离基本相等，两线对屏蔽网的分

布电容也基本相同，这对抑制共模干扰效果更加明显。

3.利用PLC软件监控或者干涉。在连铸生产的送引锭过程要求光电

检测装置产生有时序性的电信号，同时，该信号与整个过程不同阶段

相对应。如图5。

光电馆导

送引啦过程

图5送引锭过程和光电信号关系

(1)送引锭过程启动前，光电信号1为力”。

(2)送引锭过程启动后，在A阶段，辐道启动，引锭杆上送。当