增量式旋转编码器的特性

    增量式旋转编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区分出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的检测方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式旋转编码器是直接利用光电转换原理输出3组方波脉冲A、B和Z，A、B两组脉冲的相位差为90°，从而可方便地判断出旋转方向，同时还有用作参考零位的Z相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。增量式光电编码器的优点是原理构造简单，机械平均寿命可达几万小时以上，分辨高抗干扰能力强，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。    增量式旋转编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期。检测光栅上刻有A、B两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号。电信号经过转换电路处理后，可以得到被测轴的转角或速度信息。    增量式旋转编码器的优点是：原理构造简单，易于实现；平均机械寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。    增量式旋转编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对式编码器的码盘要简单得多且分辨率更高，一般只需要3条码道，这里的码道实际上已不具有绝对式编码器码道的意义，而是产生计数脉冲。它的码盘的外道和中间道有数目相同且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相脉冲信号以及只有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（超前或滞后）可判断旋转的方向。由图3-30 (a)可知，当码盘正转时A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时A道脉冲波形比B道滞后π/2。图3-30 (b)所示是一个判别方向的实际电路，图中A通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”，当码盘正转时只有正向脉冲输出，反之，只有逆向脉冲输出。因此，增量式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的。通常，若编码器有Ⅳ个（码道）输出信号，其相位差为π/N，可计数脉冲为2N倍光栅数。    图3-30 (b)所示电路的缺点是有时会产生误计脉冲造成误差，这种情况出现在当某一道信号处于“高”或“低”电平状态时，而另一道信号正处于“高”和“低”之间的往返变化状态下，此时码盘虽然未产生位移，但是会产生单方向的输出脉冲，例如码盘发生抖动或手动对准位置时。
    图3-30    增量式旋转编码器的基本波形和电路    图3-31 (b)所示电路是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的4倍频细分电路。在电路中采用了有记忆功能的D触发器和时钟信号发生电路。由图3-31 (b)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（如对应于B道的74LS175的②、⑦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，可以根据两者的关系判断出它的变化方向，从而产生“正向”或“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”和“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。图3-31 (b)所示电路中的时钟信号发生器的频率应大于振动频率的最大值。
    图3-31    4倍计数方式的波形和电路    由图3-31还可看出，在一个脉冲信号的周期内得到了4个计数脉冲。例如，每圈脉冲数为1000的编码器可产生4倍频的脉冲数（4000个），其分辨率为0.09°。实际上，目前这类传感器产品都将光敏器件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起，所以只要加上细分与计数电路就可以组成一个角位移测量系统。    增量式绝对值编码器为每一个轴的位置提供一个独一无二的编码数字值，特别是在定位控制应用中，绝对值编码器减轻了电子接收设备的计算任务，从而省去了复杂的、昂贵的输入装置，并且在控制系统接通电源或电源故障后再接通电源时，不需要回到位置参考点，而可利用当前的位置值。