光电编码器的工作原理，光电编码器信号传输的光纤实现

很多朋友对光电编码器的工作原理，光电编码器信号传输的光纤实现不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

1.引言在现代电机控制系统中，经常使用光电编码器来检测转轴的位置和速度。它是通过光电转换将输出轴上的机械几何位移转换成脉冲或数字量的高精度角位置测量传感器。由于其分辨率高、响应快、体积小，在电机控制系统中得到了广泛的应用。2.绝对值光电编码器信号传输的光纤实现。

编码器根据信号输出形式分为绝对编码器和增量编码器。绝对式光电编码器的优点是输出可以直接与PLC模块、ARM或FPGA接口，没有累积误差，但价格昂贵，制造工艺复杂，不适合小型化。有两种类型的绝对编码器，单圈和多圈。单圈绝对式编码器每转一圈自动归零；多圈绝对编码器旋转到编码器的最大转数，最大计数值自动归零。

绝对式编码器一般采用格雷码盘编码。当格雷码在任意两个相邻数字之间转换时，只有一个数字发生变化。以分辨率为24的四位二进制码盘为例。如果绝对值编码器使用二进制8421码盘，如图1所示，两个序列代码之间会有一个或多个二进制位置变化。例如，两个连续的二进制代码从0111变为1000，二进制代码的所有位都改变了它们的状态。

在改变状态的过渡时刻获取读数可能是错误的。也就是说，位置的同步和采样变得非常困难。

而采用二进制格雷码盘，如图2所示，两个序列码之间只有一位二进制位置发生变化，从最后一位码到第一位码，使得位置同步和采样准确、简单、可行。自然二进制码和格雷码的转换关系请参考相关文献。绝对式编码器的信号输出一般包括并行输出、串行输出、总线输出和集成输出。下面简单介绍一下它的输出方式。2.1并行输出

绝对式编码器输出多位数字码(格雷码或纯二进制码)，并行输出是指接口上有多点高低电平输出来表示数字1或0。对于低位数的绝对式编码器，通常以这种形式直接输出数字，可以直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。但并行输出有以下问题：必须是格雷码，因为如果是纯二进制码，数据刷新时可能会有多位变化，短时间内读取会造成误码。

(2)所有接口必须连接好，因为如果有个别不良连接点，该点电位始终为0，导致错码，无法判断。传输距离不要远，一般一两米。对于复杂的环境，最好有隔离。(4)对于大量的比特，需要有很多芯线，并且要保证良好的连接，这就带来了工程上的困难。同样，对于一个编码器来说，需要同时有很多节点输出，增加了编码器的故障率。2.2同步串行(SSI)输出

串行输出是指按协议顺序输出数据，其物理连接形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。SSI接口，如RS422模式，由两条数据线和两条时钟线连接，接收设备向编码器发送中断的时钟脉冲，编码器和时钟脉冲同步输出绝对位置值给接收设备。由来自接收设备的时钟信号触发，编码器开始输出与时钟信号同步的串行信号。

串行输出连接线少，传输距离长，提高了编码器的可靠性和保护性。通常，高位绝对编码器使用串行输出。

2.3现场总线型输出(异步串行)现场总线型编码器是将多个编码器通过一对信号线连接在一起，通过设置地址以通信的方式传输信号。信号接收设备仅通过一个接口就可以读取多个编码器信号。总线编码器的信号遵循R S 4 8 5的物理格式。目前有很多通信协议，各有各的优点，还没有统一。编码器常用的通信协议有：PROFIBUS-DP；可以；DeviceNet等。

总线型编码器可以省去连接电缆和接收设备的接口，传输距离远，在多个编码器集中控制的情况下也可以大大节约成本。2.4信号经编码器转换后，综合传输输出直接传输，包括4-20mA模拟输出、RS485数字输出和14位并行输出。

针对绝对式编码器常见的输出信号形式，即同步串行输出(SSI)，提出光纤传输的方法，以提高编码器信号的抗干扰能力和施工布线的方便性。工业串行光纤调制解调器直接将RS-232/422/485电信号调制成光信号在光纤上传输，解决了电磁干扰、地环干扰和雷电破坏问题，提高了数据通信的可靠性、安全性和保密性，适用于对电磁干扰环境有特殊要求的控制系统。

如图3所示，编码器端输出的同步串行RS-422数据信号通过接口变换电路转换为TTL信号，然后经过光电转换器件变换为光信号进行传输。同样，RS-422的时钟同步信号由接收端通过相同的方式进行转换，所不同的是数据信号和时钟同步信号转换后的光波长不相等，然后通过多模光纤来传播。

3.增量式光电编码器信号传输的光纤实现

增量式光电编码器不具有计数和接口电路，价格较低，在实际工程中比较常用。

增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。如图4所示。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两个与码盘相对应的透光缝隙，用以通过光源、码盘之间的光线，从而使光电探测器件检测到光信号。

A、B各自的透光缝隙和码盘上的透光缝隙相等，但A、B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电角度。

A、B两相相差90的正交方波脉冲串，代表被测转轴旋转了一定的角度，A、B之间的相位关系则反映了被测转轴的旋转方向，即当A相超前B相90，转动方向为正转；当B相超前A相90，转动方向为反转；Z信号是一个代表零位的脉冲信号，可以用以调零、对位和重置计数器。

示意如图5所示：

当码盘随着被测转轴转动时，光源、光栏板与检测光栅均不动，光线透过码盘和检测光栅上的透光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电角度的近似于正弦波的电信号，正弦波电信号经过比较器，可以得到方波信号。一般增量式编码器的输出方式有电压输出、互补输出、集电极开路输出以及驱动器输出。各种传输方式的电路如图6所示：

由于我方的某控制系统远离编码器的安装处，目前采用了驱动器输出方式，驱动器输出方式能提高信号的抗干扰能力，用与长距离传输。A、B、Z三路脉冲信号分别输入驱动器，经驱动器反相后输出相互正交的脉冲信号（脉冲幅度约3V左右）进行远距离传输，通过检测脉冲数即可知道被测转轴的转角或速度信息。信号如图7所示：

采用三路相互正交的脉冲信号进行长距离传输，目的是为了提高信号的抗干扰能力。但是，一般编码器的输出信号均要求与强电分开传输，而在我方具体的应用系统中，单独铺设编码器信号传输电路存在施工难度，而且增加了线路的复杂性。

为此，考虑将编码器输出信号进行光电转换，采用塑料光纤进行传输（塑料光纤作为工业级应用场合，具有柔韧性高、不易磨损等特点）。从而可以将光纤与强电缆在同一线槽中铺设，提高信号传输抗干扰的同时，节省了步线空间并降低了综合成本。

针对输出的A、B、Z三相脉冲信号，可以直接将其转换为光信号（如图8所示），使光电编码器的输出方式统一规划为光信号（电压输出、互补输出、驱动器输出、集电极开路输出均可采用此种方法），而在接收端通过光纤接收器将光信号转换为电信号（如图9所示）进入相应的处理电路，进行计数等处理。

选用美国安华高科（Avago TECHNOLOGIES）公司的HFBR-1523Z，HFBR-2523Z光纤收发器（ 6 6 0纳米）。这组光纤收发器最高传输速率4 0 K B d，工作温度范围0~70，最大工作电流25mA，光纤采用1塑料光纤。此处需明确波特率和比特率的区别。波特（baud）是指信号大小方向变化的一个波形，编码器输出波特率为1024ps，即每秒传输信号波形变化1024个。

一个信号波形可以包含一个或多个二进制位，例如单比特信号的传输速率为9600bit/s，则其波特率为9600baud，它意味着每秒可传输9600个二进制脉冲。

如果信号波形由2个二进制位组成，当传输速率为9600bit/s时，则其波特率只有4800baud.实验中选择光纤收发器的通信速率为40Kbps时，HFBR-1523Z（发射），HFBR-2523Z（接收）光纤收发器可以满足要求。图10所示为从示波器上捕获的波形。

检测发射器HFBR-1523Z的输入DATE，波形如上面方波所示，经过电光转换，然后通过塑料光纤传输，在接受器HFBR-2523Z的1引脚上检测到的一帧接收号波形（下面），实现了编码器脉冲信号的光纤传输。

4.结论

综上所述，采用光纤接口电路，输入和输出光信号能满足要求的通讯速率，实现了编码器输出信号的光纤传输。使用光纤作为传输介质，编码器端与控制系统间有良好的电气隔离，也避免了电机启动、运转时产生的强电磁场环境对编码器弱点脉冲信号传输的影响。

以上知识分享希望能够帮助到大家！