引言

光電編碼器在現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)中常用以檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的位置與速度，是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的高精度角位置測(cè)量傳感器。由于其具有分辨率高、響應(yīng)速度快、體積小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制系統(tǒng)中。

2.絕對(duì)值型光電編碼器信號(hào)傳輸?shù)墓饫w實(shí)現(xiàn)

編碼器按信號(hào)輸出形式分為絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器。絕對(duì)式光電編碼器具有輸出量可與PLC模塊、ARM或FPGA等器件直接接口，無(wú)累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格高、制造工藝復(fù)雜，不宜實(shí)現(xiàn)小型化。絕對(duì)型編碼器有兩種類型，單圈和多圈。單圈絕對(duì)型編碼器旋轉(zhuǎn)一圈后自動(dòng)回到零；多圈絕對(duì)型編碼器旋轉(zhuǎn)到編碼器最大圈數(shù)、最大計(jì)數(shù)值自動(dòng)回到零。絕對(duì)型編碼器一般采用格雷碼盤編碼。格雷碼(GrayCode)在任意兩個(gè)相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，只有一個(gè)數(shù)位發(fā)生變化。以分辨率24四位二進(jìn)制碼盤為例。若絕對(duì)值編碼器采用二進(jìn)制8421碼盤，如圖1所示，兩個(gè)順序的編碼之間有一位或一位以上二進(jìn)制位置改變。例如：兩個(gè)順序的二進(jìn)制碼，從0111變到1000，二進(jìn)制碼的所有位都改變它們的狀態(tài)。在改變狀態(tài)的過(guò)渡時(shí)刻得到讀數(shù)可能是錯(cuò)誤的。即位置的同步和采樣變得非常困難。

而采用二進(jìn)制格雷碼盤，如圖2所示，兩個(gè)順序的編碼之間，從最后一位碼到第一位碼，只有一位二進(jìn)制位置改變，這樣使位置的同步和采樣變得準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、可行。關(guān)于自然二進(jìn)制碼與格雷碼之間的換算關(guān)系可以參考相關(guān)文獻(xiàn)。

絕對(duì)值編碼器信號(hào)輸出一般有并行輸出、串行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出。下面對(duì)其輸出方式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1并行輸出

絕對(duì)值編碼器輸出的是多位數(shù)碼(格雷碼或純二進(jìn)制碼)，并行輸出就是在接口上有多點(diǎn)高低電平輸出，以代表數(shù)碼的1或0，對(duì)于位數(shù)不高的絕對(duì)編碼器，一般就直接以此形式輸出數(shù)碼，可直接進(jìn)入PLC或上位機(jī)的I/O接口，輸出即時(shí)，連接簡(jiǎn)單。但是并行輸出有如下問(wèn)題：

①必須是格雷碼，因?yàn)槿缡羌兌M(jìn)制碼，在數(shù)據(jù)刷新時(shí)可能有多位變化，讀數(shù)會(huì)在短時(shí)間里造成錯(cuò)碼。

②所有接口必須確保連接好，因?yàn)槿缬袀€(gè)別連接不良點(diǎn)，該點(diǎn)電位始終是0，造成錯(cuò)碼而無(wú)法判斷。

③傳輸距離不能遠(yuǎn)，一般在一兩米，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境，最好有隔離。

④對(duì)于位數(shù)較多，要許多芯電纜，并要確保連接優(yōu)良，由此帶來(lái)工程難度，同樣，對(duì)于編碼器，要同時(shí)有許多節(jié)點(diǎn)輸出，增加編碼器的故障損壞率。

2.2同步串行(SSI)輸出

串行輸出就是通過(guò)約定，在時(shí)間上有先后的數(shù)據(jù)輸出，其連接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。SSI接口如RS422模式，以兩根數(shù)據(jù)線、兩根時(shí)鐘線連接，由接收設(shè)備向編碼器發(fā)出中斷的時(shí)鐘脈沖，絕對(duì)位置值由編碼器與時(shí)鐘脈沖同步輸出至接收設(shè)備。由接收設(shè)備發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)，編碼器開始輸出與時(shí)鐘信號(hào)同步的串行信號(hào)。串行輸出連接線少，傳輸距離遠(yuǎn)，提高了編碼器的可靠性和保護(hù)。一般高位數(shù)的絕對(duì)編碼器都是用串行輸出的。

2.3現(xiàn)場(chǎng)總線型輸出(異步串行)

現(xiàn)場(chǎng)總線型編碼器是多個(gè)編碼器各以一對(duì)信號(hào)線連接在一起，通過(guò)設(shè)定地址，用通訊方式傳輸信號(hào)，信號(hào)的接收設(shè)備只需一個(gè)接口，就可以讀多個(gè)編碼器信號(hào)。

總線型編碼器信號(hào)遵循RS485的物理格式，目前有多種通訊規(guī)約，各有優(yōu)點(diǎn)，還未統(tǒng)一，編碼器常用的通訊規(guī)約有如下幾種：PROFIBUS-DP；CAN；DeviceNet等。

總線型編碼器可以節(jié)省連接線纜、接收設(shè)備接口，傳輸距離遠(yuǎn)，在多個(gè)編碼器集中控制的情況下還可以大大節(jié)省成本。

2.4變送一體型輸出

其信號(hào)已經(jīng)在編碼器內(nèi)換算后直接變送輸出，其有模擬量4-20mA輸出、RS485數(shù)字輸出、14位并行輸出等。

針對(duì)絕對(duì)值編碼器的常見(jiàn)輸出信號(hào)形式即同步串行輸出(SSI)，提出采用光纖傳輸?shù)姆椒?，從而提高編碼器信號(hào)的抗干擾能力以及施工接線的方便性。工業(yè)串口光纖Modem將RS-232/422/485電信號(hào)直接調(diào)制成光信號(hào)在光纖上傳輸，解決了電磁干擾、地環(huán)干擾和雷電破壞的難題，提高了數(shù)據(jù)通訊的可靠性、安全性和保密性，適合我方對(duì)電磁干擾環(huán)境有特殊要求的某控制系統(tǒng)。如圖3所示，編碼器端輸出的同步串行RS-422數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)接口變換電路轉(zhuǎn)換為TTL信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件變換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸。同樣，RS-422的時(shí)鐘同步信號(hào)由接收端通過(guò)相同的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所不同的是數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘同步信號(hào)轉(zhuǎn)換后的光波長(zhǎng)不相等，然后通過(guò)多模光纖來(lái)傳播。

3.增量式光電編碼器信號(hào)傳輸?shù)墓饫w實(shí)現(xiàn)

增量式光電編碼器不具有計(jì)數(shù)和接口電路，價(jià)格較低，在實(shí)際工程中比較常用。

增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成。如圖4所示。碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期；檢測(cè)光柵上刻有A、B兩個(gè)與碼盤相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過(guò)光源、碼盤之間的光線，從而使光電探測(cè)器件檢測(cè)到光信號(hào)。A、B各自的透光縫隙和碼盤上的透光縫隙相等，但A、B兩組透光縫隙錯(cuò)開1/4節(jié)距，使得光電檢測(cè)器件輸出的信號(hào)在相位上相差90°電角度。A、B兩相相差90°的正交方波脈沖串，代表被測(cè)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)了一定的角度，A、B之間的相位關(guān)系則反映了被測(cè)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向，即當(dāng)A相超前B相90°，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎D(zhuǎn)；當(dāng)B相超前A相90°，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)榉崔D(zhuǎn)；Z信號(hào)是一個(gè)代表零位的脈沖信號(hào)，可以用以調(diào)零、對(duì)位和重置計(jì)數(shù)器。