光電編碼器在電機控制系統中的應用

概述：電機的位置檢測在電機控制中是十分重要的，特別是需要根據精確轉子位置控制電機運動狀態的應用場合，如位置伺服系統。電機控制系統中的位置檢測通常有：微電機解算元件，光電元件，磁敏元件，電磁感應元件等。這些位置檢測傳感器或者與電機的非負載端同軸連接，或者直接安裝在電機的特定的部位。其中光電元件的測量精度較高，能夠準確的反應電機的轉子的機械位置，從而間接的反映出與電機連接的機械負載的準確的機械位置，從而達到精確控制電機位置的目的。在本文中我將主要介紹高精度的光電編碼器的內部結構、工作原理與位置檢測的方法。

一、光電編碼器的介紹：

　　光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機轉子的位置信息的。根據光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結構與工作原理做介紹。

　　（一）、絕對式光電編碼器

　　絕對式光電編碼器如圖所示，他是通過讀取編碼盤上的二進位的編碼信息來表示絕對位置信息的。

　　編碼盤是按照一定的編碼形式製成的圓盤。圖1是二進位的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用「0」來表示;塗黑的部分是不透光的，用「1」來表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個碼道表示二進位數的一位，其中最外側的是最低位，最裡側的是最高位。如果編碼盤有4個碼道，則由裡向外的碼道分別表示為二進位的23、22、21和20，4位二進位可形成16個二進位數，因此就將圓盤劃分16個扇區，每個扇區對應一個4位二進位數，如0000、0001、…、1111。

圖1

　　按照碼盤上形成的碼道配置相應的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極體和驅動電子線路。當碼盤轉到一定的角度時，扇區中透光的碼道對應的光敏二極體導通，輸出低電平「0」，遮光的碼道對應的光敏二極體不導通，輸出高電平「1」，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區的位置腳。

　　（二）、增量式光電編碼器

　　增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈衝信號，然後根據位置變化的方向用計數器對脈衝進行加/減計數，以此達到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑑向盤、光敏元件和電子線路組成。

　　增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉軸轉動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑑向盤，在鑑向盤上有兩條彼此錯開90o相位的窄縫，並分別有光敏二極體接收主光柵碼盤透過來的信號。工作時，鑑向盤不動，主光柵碼盤隨轉子旋轉，光源經透鏡平行射向主光柵碼盤，通過主光柵碼盤和鑑向盤後由光敏二極體接收相位差90o的近似正弦信號，再由邏輯電路形成轉向信號和計數脈衝信號。為了獲得絕對位置角，在增量式光電編碼器有零位脈衝，即主光柵每旋轉一周，輸出一個零位脈衝，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測電機的位置和速度。

二、光電編碼器的測量方法：

　　光電編碼器在電機控制中可以用來測量電機轉子的磁場位置和機械位置以及轉子的磁場和機械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應用方法做一下介紹。

　　（一）、使用光電編碼器來測量電機的轉速

　　可以利用定時器/計數器配合光電編碼器的輸出脈衝信號來測量電機的轉速。具體的測速方法有M法、T法和M/T法3種。

　　M法又稱之為測頻法，其測速原理是在規定的檢測時間Tc內，對光電編碼器輸出的脈衝信號計數的測速方法，如圖2所示，例如光電編碼器是N線的，則每旋轉一周可以有4N個脈衝，因為兩路脈衝的上升沿與下降沿正好使編碼器信號4倍頻。現在假設檢測時間是Tc，計數器的記錄的脈衝數是M1，則電機的每分鐘的轉速為

　　在實際的測量中，時間Tc內的脈衝個數不一定正好是整數，而且存在最大半個脈衝的誤差。如果要求測量的誤差小於規定的範圍，比如說是小於百分之一，那麼M1就應該大於50。在一定的轉速下要增大檢測脈衝數M1以減小誤差，可以增大檢測時間Tc單考慮到實際的應用檢測時間很短，例如伺服系統中的測量速度用於反饋控制，一般應在0.01秒以下。由此可見，減小測量誤差的方法是採用高線數的光電編碼器。

　　M法測速適用於測量高轉速，因為對於給定的光電編碼器線數N機測量時間Tc條件下，轉速越高，計數脈衝M1越大，誤差也就越小。

　　T法也稱之為測周法，該測速方法是在一個脈衝周期內對時鐘信號脈衝進行計數的方法，如圖3所示。例如時鐘頻率為fclk,計數器記錄的脈衝數為M2，光電編碼器是N線的，每線輸出4N個脈衝，那麼電機的每分鐘的轉速為

　　為了減小誤差，希望儘可能記錄較多的脈衝數，因此T法測速適用於低速運行的場合。但轉速太低，一個編碼器輸出脈衝的時間太長，時鐘脈衝數會超過計數器最大計數值而產生溢出;另外，時間太長也會影響控制的快速性。與M法測速一樣，選用線數較多的光電編碼器可以提高對電機轉速測量的快速性與精度。

　　M/T法測速是將M法和T法兩種方法結合在一起使用，在一定的時間範圍內，同時對光電編碼器輸出的脈衝個數M1和M2進行計數，則電機每分鐘的轉速為

　　實際工作時，在固定的Tc時間內對光電編碼器的脈衝計數，在第一個光電編碼器上升沿定時器開始定時，同時開始記錄光電編碼器和時鐘脈衝數，定時器定時Tc時間到，對光電編碼器的脈衝停止計數，而在下一個光電編碼器的上升沿到來時刻，時鐘脈衝才停止記錄。採用M/T法既具有M法測速的高速優點，又具有T法測速的低速的優點，能夠覆蓋較廣的轉速範圍，測量的精度也較高，在電機的控制中有著十分廣泛的應用。

　　（二）使用增量式光電編碼器來判別電機轉速方向的原理

　　增量式光電編碼器輸出兩路相位相差90o的脈衝信號A和B，當電機正轉時，脈衝信號A的相位超前脈衝信號B的相位90o，此時邏輯電路處理後可形成高電平的方向信號Dir。當電機反轉時，脈衝信號A的相位滯後脈衝信號B的相位90o，此時邏輯電路處理後的方向信號Dir為低電平。因此根據超前與滯後的關係可以確定電機的轉向。其轉速辯相的原理如圖4所示

圖4轉向判別原理圖

　　（三）、增量式光電編碼器的反饋脈衝的四倍頻原理

　　在使用增量式編碼器時，通過計相位相差90o的兩路正交脈衝信號A和B的上升沿與下降沿已達到將增量式編碼器的反饋脈衝四倍頻的目的。這樣在不增加增量式光電編碼器的線數的情況下，就可以獲得更精度高的位置脈衝信息，以實現對電機位置的精確控制。其工作原理與脈衝的相位關係如圖5所示

圖5 脈衝四倍頻相位關係圖

結束語：

　　光電式編碼器有著良好的抗幹擾特性與應用的可靠性，在電機控制這種有著極高電磁感染的應用環境下有著廣闊的應用前景。相信在不久的將來光電式編碼器一定會在電機控制領域發揮更為重要的作用。而我們對於光電式編碼器的研究也就顯得格外的重要。