增量式光電旋轉編碼器
   　 所謂編碼器即是將某種物理量轉換為數字格式的裝置。運動(dòng)控制系統中的編碼器的作用是將位置和角度等參數轉換為數字量?？刹捎秒娊佑|、磁效應、電容效應和光電轉換等機理，形成各種類(lèi)型的編碼器。運動(dòng)控制系統中最常見(jiàn)的編碼器是光電編碼器。
  　  光電編碼器根據其用途的不同分為旋轉光電編碼器和直線(xiàn)光電編碼器，分別用于測量旋轉角度和直線(xiàn)尺寸。光電編碼器的關(guān)鍵部件是光電編碼裝置，在旋轉光電編碼器中是圓形的碼盤(pán)(codewheel或codedisk)，而在直線(xiàn)光電編碼器中則是直尺形的碼尺(codestrip)。碼盤(pán)和碼尺根據用途和成本的需要，可由金屬、玻璃和聚合物等材料制作，其原理都是在運動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生代表運動(dòng)位置的數字化的光學(xué)信號。

 

   　 　圖12.1可用于說(shuō)明透射式旋轉光電編碼器的原理。在與被測軸同心的碼盤(pán)上刻制了按一定編碼規則形成的遮光和透光部分的組合。在碼環(huán)的一邊是發(fā)光二極管或白熾燈光源，另一邊則是接收光線(xiàn)的光電器件。碼盤(pán)隨著(zhù)被測軸的轉動(dòng)使得透過(guò)碼盤(pán)的光束產(chǎn)生間斷，通過(guò)光電器件的接收和電子線(xiàn)路的處理，產(chǎn)生特定電信號的輸出，再經(jīng)過(guò)數字處理可計算出位置和速度信息。
    　上面所說(shuō)的是透射式光電編碼器的原理。顯然利用光反射原理也可制作光電編碼器。

   　 根據碼盤(pán)的具體設計，旋轉光電編碼器可分為增量編碼器和絕對編碼器。
  　  增量編碼器的碼盤(pán)如圖12.2所示。在現代高分辨率碼盤(pán)上，透光和遮光部分都是很細的窄縫和線(xiàn)條，因此也被稱(chēng)為圓光柵。相鄰的窄縫之間的夾角稱(chēng)為柵距角，透光窄縫和遮光部分大約各占柵距角的1/2。碼盤(pán)的分辨率以每轉計數(CPR-counts per revolution)表示，亦即碼盤(pán)旋轉一周在光電檢測部分可產(chǎn)生的脈沖數。例如某碼盤(pán)的CPR為2048，則可以分辨的角度為10，311.8”。在碼盤(pán)上，往往還另外安排一個(gè)（或一組）特殊的窄縫，用于產(chǎn)生定位(index)或零位(zero)信號。測量裝置或運動(dòng)控制系統可利用這個(gè)信號產(chǎn)生回零或復位操作。

   　 如果不增加光學(xué)聚焦放大裝置，讓光電器件直接面對這些柵線(xiàn)，那么由于光電器件的幾何尺寸遠遠大于這些柵線(xiàn)，即使碼盤(pán)動(dòng)作，光電器件的受光面積上得到的總是透光部分與遮光部分的平均亮度，導致通過(guò)光電轉換得到的電信號不會(huì )有明顯的變化，不能得到正確的脈沖波形。為了解決這個(gè)問(wèn)題，如圖12.2所示，在光路中增加一個(gè)固定的與光電器件的感光面幾何尺寸相近的擋板(mask)，擋板上安排若干條幾何尺寸與碼盤(pán)主光柵相同的窄縫（該圖為便利起見(jiàn)，忽略了柵線(xiàn)的角度）。當碼盤(pán)運動(dòng)時(shí)，主光柵與擋板光柵的覆蓋就會(huì )變化，導致光電器件上的受光量產(chǎn)生明顯的變化，從而通過(guò)光電轉換檢測出位置的變化。
  　  從原理分析，光電器件輸出的電信號應該是三角波。但是由于運動(dòng)部分和靜止部分之間的間隙所導致的光線(xiàn)衍射和光電器件的特性，使得到的波形近似于正弦波，而且其幅度與碼盤(pán)的分辨率無(wú)關(guān)。
  　  在圖12.1的設計中安排了六組這樣的擋板和光電器件組合，其中兩組用于產(chǎn)生定位(index)脈沖信號I（有的文獻中為Z）。其他四組由于位置的安排，產(chǎn)生4個(gè)在相位上依次相差90°的準正弦波信號，分別稱(chēng)為A、B、A和B。將相位相差180°的A和A送到一個(gè)比較器的兩個(gè)輸入端，則在比較器的輸出端得到占空比為50%的方波信號A。同理，由B和B也可得到方波信號B。這樣通過(guò)光電檢測器件位置的特殊安排，得到了雙通道的光電脈沖輸出信號A和B（見(jiàn)圖12.3）。這兩個(gè)信號有如下特點(diǎn)：
    (1)兩者的占空比均為so%；圖12.3雙通道信號的形成
    (2)如果朝一個(gè)方向旋轉時(shí)A信號在相位上領(lǐng)先于B信號90°的話(huà)，那么旋轉方向反過(guò)來(lái)的時(shí)候，B信號在相位上領(lǐng)先于A(yíng)信號90°。

  　  這種雙通道信號的特點(diǎn)為測量分辨率的提高和方向信號的獲取提供了條件。
    　占空比為so%的方波信號A和B中有4個(gè)特殊的時(shí)刻，就是它們波形的前沿和后沿。
兩個(gè)信號的前后信號在波形的一個(gè)周期中是按90°平均分布的。將這些沿信號取出并加以利用，可得到4倍頻的脈沖信號，這樣就可把光電編碼器的分辨率提高到4倍。
   　 圖12.4是一個(gè)由數字電路組成的處理電路，在這個(gè)電路中采用了施密特輸入的反相器、異或門(mén)、或門(mén)和D觸發(fā)器。電路中各處波形如圖所示，用虛線(xiàn)隔開(kāi)分別表示正轉和反轉兩種情況下的波形?？梢钥吹皆撾娐樊a(chǎn)生4倍頻計數信號和方向信號。使用這些信號再加上定位脈沖的配合，電子線(xiàn)路就可以通過(guò)對脈沖的計數來(lái)確定運動(dòng)系統的位置?？梢圆捎糜嫈灯魇沟闷湓谵D軸朝某一方向旋轉時(shí)進(jìn)行增數，而在朝相反方向旋轉時(shí)進(jìn)行減數，這樣就可以在不掉電的前提下保持對絕對位置的記憶。