光电编码器的原理及应用

赵雄飞

（天津钢铁集团有限公司，天津300301）

光电编码器的原理及应用

赵雄飞

（天津钢铁集团有限公司，天津300301）

介绍了光电编码器的基本功能和原理。分析了绝对值编码器和增量型编码器的结构特点、信号传输方式及选用标准。应用编码器控制后，有效地改善了设备的整体性能，明显提高了重复定位的精度，保证了生产的稳定顺行。

光电编码器；绝对值编码器；增量型编码器；信号传输方式

1　引言

编码器是一种通过信号转换原理把输出轴上的机械位移量转化为脉冲信号或者数字量的传感器。这是传感器在目前应用非常广泛。按照工作原理划分，编码器主要可以分为光电式、磁式、感应式和电容式。本文主要介绍光电式编码器。光电型编码器主要可以分为增量型和绝对值型。

2　增量型编码器

增量型编码器是一种用来测量转速的装置，其中有单路脉冲和双路输出。单路脉冲是指编码器的输出只有一组脉冲，只能测量出转速，但无法判断出旋转方向。而双路输出的旋转编码器可以输出两组脉冲，这两组脉冲存在90°的相位差，在这两组脉冲的帮助下，编码器可以测量实际转速，并判断出旋转的方向。

2.1工作原理

图1　编码器

此类编码器由一个有中心轴的圆形光电码盘，在其上有环形的亮、暗刻线，在光电码盘的两侧的光电发射器和接收器（见图1），由光电接收器读取，经过放大整形，获得正弦波信号A、B、两组正弦波有90°相位差。由于A与B相存在90°的相位差，所以可以通过A相和B相哪相在前来判断编码器是正转还是反转。编码器每旋转一周都会输出一个Z相脉冲作为零位信号，通过零位脉冲，可获得编码器零位参考位［1］。编码器的码盘的材质有很多种，主要包括玻璃，金属以及塑料。编码器分辨率是指编码器每旋转360°有多少亮、暗刻线。一般的分辨率在5～10 000之间。

2.2信号输出类型

信号输出类型包括正弦波（电压或者电流），方波（HTL、TTL）、开集级电路（PNP、NPN）。其中TTL方波为长线差分驱动，对称A，A-；B，B-；Z，Z-。方波HTL又被称为推拉式或者推挽式输出。在方波TTL信号输出的编码器中，如果是采用有对称负信号输出的连接方式，信号传输距离可以达到150 m。如果是采用对称负信号输出的HTL编码器，信号传输距离更可达到300m。

3　绝对值编码器

绝对值编码器是一种用来确定位置的装置，对应不同的机械位置，可以输出唯一的二进制编码，不需要参考点，不需要连续计数，切断电源后位置信息不丢失，精确度和抗干扰度高。

3.1工作原理

绝对值编码器的码盘上也有着光暗通道刻线，每一道刻线是依次按2线、4线、8线、16线等来编排，在编码器每一个位置，都可以通过读取刻线的光暗情况，得到一组唯一的二进制编码（格雷码），这就是绝对值编码器的工作原理。绝对值编码器又分为旋转单圈绝对值编码器和多圈绝对值编码器［2］。

单圈绝对值编码器（见图2），在转动中测量光电码盘上的光暗刻线，得到位移的格雷码（在编码中，如果任意两个相邻代码只有一位二进制数不同，则这种编码被称为格雷码），但当旋转角度超过360°时，格雷码会回到原点，违背了绝对值编码器的格雷码与实际位置一一对应的原则，所以这种编码器只能用于转动角度范围不超过360°的现场情况，因此被称为单圈绝对值编码器。

图2　单圈绝对值编码器

多圈绝对值编码器（见图3）是应用了钟表齿轮机械的原理，在中心光电码盘旋转时，会通过齿轮带动另一组或多组光电码盘，被带动的光电码盘是用来定义编码器旋转的圈数，在单圈的格雷码的基础上增加圈数的编码，成功地扩大了绝对值编码器的测量范围。因为多圈绝对值编码器测量范围很大，实际使用中经常会有很大的空余量程，这也简化了编码器的安装过程，无需再寻找零点，将中间的某一位置作为零点即可。

图3　多圈绝对值编码器

3.2绝对值编码器的信号输出

绝对值编码器信号输出主要包括4种方式，分别是串行输出、并行输出、总线型输出和变送一体输出。

串行输出是通过协议，时间上有先后顺序的数据输出，我们把这种协议称为通讯规约。在连接的物理方式选择上包括了RS232、RS485、RS422（TTL）等。串行输出的特点是接线少，可以远距离传输，使得编码器的可靠性得到提升，一般的高位数绝对值编码器都是使用串行输出的。

并行输出是在接口上有多点的高电平与低电平输出，代表了格雷码的0和1，一般位数不多的绝对值编码器，大多直接用这种方法输出编码，可以接入PLC或者上位机的I/O接口，能做到即时输出，并且连接较为简单，但是并行编码器同时也存在着许多问题。首先，必须使用格雷码，如果使用纯二进制编码，可能会在数据刷新时造成有多位变化，短时间内读数会形成乱码；其次，绝对值编码器一般位数较多，要采用多芯电缆，而且所有接口必须保证连接良好，个别的连接不良，会使该点的电位始终为0，形成错码，提升了工程难度，并且带来了编码器故障点增多的弊病；最后，传输距离不能太远，而且抗干扰较弱，在复杂环境下需要有屏蔽。

现场总线型输出是一种把几个编码器各用一对信号线连接起来，分别设定地址后通过通讯的方式来传输信号，接收信号的设备只需要一个接口就可以读取几个编码器的信号。总线型编码器使用RS485的物理形式，信号的编排方式（通讯规约）目前并未统一，常用的包括：CAN、PROFIBUS-DP、Interbus和DeviceNet等。总线型编码器的特点是传输距离长，而且在多个编码器集中控制的情况下可以大大节省线缆与接口的成本。

变送一体型是把编码信号在编码器内部就换算为4～20mA输出、14位并行输出、RS485数字输出等方式［3］。

4　光电编码器的应用与特点

光电编码器集光、机、电于一体的同时，具备了精度高、体积小、使用简单可靠等优势，在许多领域都得到了广泛的应用。

4.1增量型编码器的实际应用与特点

在实际生产中，增量编码器的应用很多，以连铸板坯为例，在扇形段辊道电机上就安装有增量编码器，经过辊道电机传动，钢坯向前运动，而辊道电机在转动同时带动了编码器同步转动，通过编码器就可以得到钢坯的运动速度。在精炼炉的喂丝机系统中，喂丝长度计算同样使用增量型编码器。

增量型编码器有着构造简单，机械寿命长，抗干扰能力强，适合速度和长度传输，可靠性高的优点，缺点是不能直观的输出位置信号。

4.2绝对值编码器的实际应用与特点

在炼钢过程中，转炉氧枪编码器就是采用的绝对值编码器，编码器安装在氧枪电机的减速机上，当电机启动带动减速机转动的同时，编码器也会转动，电机转动时编码器会输出不同的二进制编码，根据这些编码就可以得到氧枪的位置。

绝对值编码器有高位数分辨率的特征，且其机械位置决定的每个位置是唯一的，无需找参考点，所以抗干扰性和可靠性更高，有很好的定位功能。

5　结束语

光电编码器的精准控制特性，在炼钢工序中起到了巨大的作用。在采用了编码器控制后，有效地改善了设备的整体性能，重复定位的精度明显提高。因其低成本、高精度，编码器在现代钢铁企业中的应用也变得越来越广泛。但由于光电编码器在复杂环境下容易受外部影响造成损坏，所以我们必须提高对编码器的认识，并采取适当的措施，保证其稳定工作，为车间内平稳有序的生产打下良好的基础。

［1］叶盛祥.光电位移精密测量技术［M］.新疆：新疆科技卫生出版社，2003.

［2］方建军.光机电一体化系统接口技术［M］.北京：化学工业出版社，2003：60-65.

Princip le and App lication of Photoelectric Encoder

ZHAO Xiong-fei
（Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

The basic function and principle of photoelectric encoder are introduced and the structure characteristic，signal transmission mode and selection standard of absolute encoder and incremental encoder analyzed.After the application of encoder control，the overall performance of the equipment was effectively improved and resetting accuracy increased.Stable and smooth production was ensured.

photoelectric encoder；absolute encoder；incremental encoder；signal；transmissionmode

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.013

2016-03-07

2016-04-07

赵雄飞（1984—），男，天津人，本科，主要从事自动化方面的研究工作。