中图分类号：TH273 TP391 论文编号：1028705 12-S117 学科分类号：080202
硕士学位论文
基于增量式光电编码器的高
精度位置检测技术研究
研究生姓名陶仁浩
学科、专业机械电子工程
研究方向机电控制及自动化
指导教师罗福源讲师
南京航空航天大学
研究生院机电学院
二О一二年三月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
The Graduate School
College of Mechanical and Electrical Engineering
Research on the High-precision Position Detection Technology Based on Incremental Optical Encoder
A Thesis in
Mechanical and Electrical Engineering
by
Tao Renhao
Advised by
Lecturer Luo Fuyuan
Submitted in Partial Fulfillment
of the Requirements
for the Degree of
Master of Engineering
March, 2012
承诺书
本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)
作者签名：
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摘要
随着数控技术朝着高速高精度方向不断发展，数控机床对光电编码器的位置检测精度提出了越来越高的要求。通过提高刻线密度来提高光电编码器分辨率的方法已经接近物理极限，迫切需要研究新的方法来提高光电编码器的位置检测精度。为此，在分析光电编码器的结构、工作原理以及国内外光电编码器细分技术现状的基础上，提出了两种提高光电编码器位置检测精度的电子学细分方法——模数转换法和时空转换法，并展开了下列研究：
（1）采用高性能DSP和FPGA作为信号处理核心搭建了光电编码器高精度位置检测硬件电路，完成了高分辨率A/D与D/A转换、差分信号接收、光电隔离与高速数据传输接口等电路模块的设计与调试。
（2）探索了基于锁相环（PLL）移相编码与粗、细计时相结合的时间数字转换（TDC）方法，通过Verilog HDL语言编程与仿真，实现了基于FPGA的纳秒级高精度时间检测，为采用时空转换法提高位置检测精度创造了条件。
（3）通过软件编程完成了光电编码器原始信号的对中、单位化与鉴向预处理。在此基础上，一方面通过构造近似三角函数的方法实现了对光电编码器模拟信号的细分，另一方面利用物体在运动过程中具有惯性、速度不会突变的特点，通过高精度时间检测、当前速度检测与卡尔曼滤波估算，实现了对光电编码器脉冲信号的细分。
（4）建立了DSP与PC机的USB数据传输通道与可视化测试界面，分别运用模数转换法和时空转换法进行了位置检测实验与误差分析，验证了所提出的方法能够有效提高光电编码器的位置检测精度。
关键词：数字信号处理器，现场可编程门阵列，时间数字转换器，增量式光电编码器，电子学细分
i
Abstract
Along with the continuous development of numerical control technology in the direction of high speed and high precision, it has put forward more and more high demand for the performance of optical encoder. As making thinner ruled grating on coded disk to improve the position detection accuracy of the optical encoder has been close to physical limits, there is an urgent need to explore new methods to improve the position measurement accuracy of optical encoder. Therefore, based on the analysis of the structure, working principle and subdivision technology of the optical encoder at home and abroad, two segmentation methods were put forward to improve position detection precision of optical encoder: analog-digital conversion method and time-space conversion method. Meanwhile, the following researches were launched.
(1)By adopting DSP and FPGA of high performance as the signal processing core, the hardware circuit of optical encoder used in high-precision position detection was built. It was also completed in the design and debugging of several circuit modules such as A/D and D/A transformation of high resolution, differential signal receiving, optoelectronic isolation and data transmission interface of high-speed as well.
(2)Time-to-digit conversion(TDC) method was explored based on the phase shifting coding of phase-locked loop(PLL) and the combination of coarse and fine timing. Then, by programming through Verilog HDL language and simulation, the high-precision time detection in nanosecond was realized based on FPGA, which can provide support to improve position detection accuracy with time-space conversion method.
(3)Through the software programming, it completed the alignment, unitization and identified direction pretreatment of the original signal. Based on this, on the one hand, the subdivision of analog signals of optical encoder can be achieved by constructing approximate triangular function; on the other hand, due to the characteristics that the objects in athletic process has inertia and the speed is steady, the pulse signal subdivision of optical encoder can be realized by high-precision time detection, current speed detection and kalman filter estimation.
(4)At last, the visual testing interface and the USB data transmission channel between DSP and PC ware established, and analog-digital conversion method and time-space conversion method were used respectively on the position detection experiments and error analysis to verify that the proposed method can improve the position detection accuracy of optical encoder effectively.
ii
Key words: digital signal processor (DSP), field programmable gate array (FPGA), time-to-digital converter (TDC), incremental optical encoder, electronic subdivision
iii
目录
第一章 绪 论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.1.1 光电编码器概述 (1)
1.1.2 光电编码器的结构与工作原理 (1)
1.1.3 光电编码器的分类 (2)
1.2 光电编码器研究现状 (4)
1.2.1 光学细分 (4)
1.2.2 机械学细分 (4)
1.2.3 电子学细分 (5)
1.3 光电编码器发展趋势 (6)
1.4 研究目的与研究内容 (6)
1.4.1 研究目的 (6)
1.4.2 研究内容 (6)
1.5 论文结构与安排 (7)
第二章 提高光电编码器精度的理论和方法 (8)
2.1 电子学细分方法研究 (8)
2.1.1 四倍频鉴相细分 (8)
2.1.2 移相电阻链细分 (8)
2.1.3 锁相倍频细分 (10)
2.1.4 载波调制法 (10)
2.1.5 幅值分割细分 (11)
2.1.6 细分方法的比较与选择 (13)
2.2 光电编码器精度提高的方法 (14)
2.2.1 模数转换法 (14)
2.2.2 时空转换法 (18)
2.3 本章小结 (19)
第三章 光电编码器信号处理硬件设计 (21)
3.1 光电编码器信号处理需求分析 (21)
3.2 硬件总体架构设计 (22)
v
3.3 数据采集单元 (23)
3.3.1 低精度光电编码器 (23)
3.3.2 高精度光电编码器 (24)
3.4 AD/DA转换单元的硬件设计 (24)
3.4.1 A/D转换模块电路设计 (24)
3.4.2 D/A转换模块电路设计 (28)
3.4.3 电源模块电路设计 (29)
3.4.4 电路附属模块 (30)
3.5 数据处理及上传单元 (32)
3.5.1 DSP芯片的选型 (33)
3.5.2 DSP最小系统设计 (33)
3.6 逻辑设计及接口扩展单元 (33)
3.6.1 FPGA芯片的选型 (36)
3.6.2 DSP与FPGA的数据传输接口 (36)
3.7 本章小结 (38)
第四章 高精度计时方法与FPGA实现 (39)
4.1 常用的时间测量方法 (39)
4.1.1 数字计数器型TDC (39)
4.1.2 模拟内插法 (40)
4.1.3 时间-幅度变换法 (42)
4.1.4 游标卡尺法 (43)
4.1.5 抽头延迟线法 (43)
4.2 基于FPGA的高精度计时原理 (44)
4.3 粗计时的FPGA实现 (46)
4.3.1 粗计时电路设计 (46)
4.3.2 粗计时电路仿真 (48)
4.4 细计时的FPGA实现 (48)
4.4.1 细计时电路设计 (49)
4.4.2 细计时电路仿真 (50)
4.5 组合计时的FPGA实现 (50)
4.6 本章小结 (52)
第五章 光电编码器信号处理软件设计 (53)
vi
5.1软件的总体设计方案 (53)
5.2 光电编码器信号的预处理 (54)
5.2.1 波形对中和单位化处理 (54)
5.2.2 光电编码器的鉴向处理 (56)
5.3 模数转换法的软件设计 (58)
5.4 时空转换法的软件设计 (59)
5.5 测试界面的设计 (62)
5.6 本章小结 (64)
第六章 提高光电编码器精度的实验与分析 (65)
6.1 实验 (65)
6.1.1 实验目的 (65)
6.1.2 实验方法 (65)
6.1.3 实验步骤 (66)
6.1.4 模数转换法的实验结果 (66)
6.1.5 时空转换法的实验结果 (67)
6.2 分析 (69)
6.2.1 模数转换法的误差分析 (69)
6.2.2 时空转换法的误差分析 (71)
6.3 本章小结 (72)
第七章 总结与展望 (73)
7.1 总结 (73)
7.2 展望 (73)
参考文献 (75)
致 谢 (78)
在学期间的研究成果及发表的学术论文 (79)
vii
图表清单
图清单
图1.1 光电编码器的基本组成 (1)
图1.2 光电编码器两路输出波形 (2)
图1.3 绝对式光电编码器码盘 (3)
图1.4 混合式光电编码器的输出波形 (4)
图2.1 四倍频鉴相细分波形图 (8)
图2.2 移相电阻链原理图 (9)
图2.3 锁相倍频原理图 (10)
图2.4 载波调制细分法的基本原理图 (11)
图2.5 由正、余弦信号获得近似三角波 (12)
图2.6 光电编码器输出的正余弦信号 (14)
图2.7 模数转换法的基本原理图 (15)
图2.8 直流参考电压的波形图 (17)
图2.9 用参考电压切割三角波细分 (17)
图2.10 模数转换法的原理图 (18)
图2.11 脉冲信号的时间与位置关系 (18)
图3.1系统硬件总体架构 (22)
图3.2 AD8295的外围电路 (25)
图3.3 ADG1407的连接电路 (25)
图3.4 AD8253的连接电路 (26)
图3.5 AD7612的电路连接图 (27)
图3.6 读取时的从机串行数据时序(转换之后读取) (28)
图3.7 LT1358组成的放大和跟随电路 (29)
图3.8 D/A转换电路图 (29)
图3.9 电源模块电路原理图 (30)
图3.10 TLP521-4电路连接图 (31)
图3.11 LTC489连接电路 (31)
图3.12 HK4100F驱动电路原理图 (32)
图3.13 AD/DA电路板 (32)
viii
图3.14 DSP电源电路 (34)
图3.15 DSP时钟电路 (34)
图3.16 JTAG接口电路 (35)
图3.17 SRAM扩展电路 (35)
图3.18 FPGA和DSP之间通信 (37)
图3.19 FPGA和DSP之间的传输数据 (37)
图3.20 光电编码器信号处理硬件的组成结构 (38)
图4.1 数字计数器型TDC测量时间的基本原理 (39)
图4.2 模拟法测量脉冲时间间隔的原理图 (40)
图4.3 模拟内插法测量脉冲时间间隔原理图 (41)
图4.4 时间幅度转换电路原理图 (42)
图4.5 抽头延迟线法原理图 (44)
图4.6 时钟内插法测量原理 (45)
图4.7 基于FPGA的时间数字转换结构图 (46)
图4.8 粗计时电路 (47)
图4.9 粗计时电路的时序仿真 (48)
图4.10 细计时电路 (49)
图4.11 细计时电路的时序仿真 (50)
图4.12 脉冲信号时间的计数组成 (50)
图4.13 数据组合电路原理图 (51)
图4.14 组合计时电路的时序仿真 (51)
图5.1 软件设计的总体流程图 (53)
图5.2 光电编码器实际输出的模拟信号 (54)
图5.3 极值流程图 (55)
图5.4 对中和单位化处理后的波形 (56)
图5.5 编码器局部放大图及主轴摆动输出的波形 (57)
图5.6 鉴向电路的原理图 (57)
图5.7 鉴向电路的时序仿真 (58)
图5.8 模数转换法的软件流程图 (59)
图5.9 时空转换法的软件流程图 (62)
图5.10 测试界面 (63)
图6.1 高精度光电编码器实验平台 (65)
ix
图6.2 sinα-cosα波形图 (66)
图6.3 近似三角波数据通过D/A转换输出的波形图 (67)
图6.4 细分误差曲线图 (71)
表清单
表2.1 细分方法比较 (13)
表2.2 信号符号和象限表 (15)
表2.3 各象限的细分值 (16)
表2.4 细计数时间的校准 (19)
表5.1 sinθ和cosθ的正负号与所处象限的关系 (58)
表6.1 RAM中的数据 (67)
表6.2 16位TDC数据和对应的粗细计数值 (68)
表6.3 采样数据与高精度编码器数据 (68)
表6.4 各因素细分误差 (70)
表6.5 数字脉冲信号误差 (71)
x
第一章绪论
1.1 课题背景
1.1.1 光电编码器概述
光电编码器，是以高精度计量光栅作为检测元件，通过光电转换技术，将输入的角度位置信息转换成相应的脉冲或数字代码的检测装置。光电编码器不仅能够实现位置和速度的数字化测量，而且与其他相同用途的传感器相比，具有精度高、测量范围广、体积小、重量轻、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。目前光电编码器广泛应用于雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、机器人、数控机床等自动化精密设备中。在光电编码器的研制方面，欧美、日本等发达国家处于领先水平[1]，其产品不仅技术性能好，而且成本较低，品种齐全，为了满足现代军事、航空航天、精密制造、医疗卫生、生物工程等领域日益增长的高精尖技术需求，光电编码器正在朝着更高分辨率更高精度的方向发展。光电编码器是利用光栅衍射或透射原理实现位移-数字变换的，从50年代开始应用于机床和计算仪器，因其结构简单、计量精度高、寿命长等优点，在精密定位、速度、长度、加速度、振动等方面得到广泛的应用。由于目前通过进一步增大编码器的刻线密度来提高编码器的检测精度的方法面临来自光学、机械、电气和物理等诸多方面的技术挑战，仅仅依靠提高检测装置自身精度的方法来提高检测精度变得越来越困难。因此，迫切需要寻求新的方法提高光电编码器的精度和分辨率[2]。
1.1.2 光电编码器的结构与工作原理
光电编码器的内部结构如图1.1所示，主要包括：LED光源、光栅副、光电接收器、主轴、电子处理电路等部件[3]。其中光栅副由主光栅码盘和指示光栅构成，作为光电编码器的主要检测单元；码盘是固定在主轴上，随主轴同步旋转，其它组件是固定不动的。
图1.1 光电编码器的基本组成
光电编码器的工作原理是：LED光源经过校准后照射光栅副，光电编码器主轴转动时，由
于光栅码盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，光栅码盘与指示光栅之间发生相对运动，就会产生明暗交错的莫尔条纹，位于指示光栅后面的光电接收器将接收到的莫尔条纹转变成电信号，经过电子电路处理后转换成二进制代码输出，由于主轴转动的角度与输出的二进制代码是一一对应的，因此光电编码器具有直接测量角位移的功能，又叫光电角位置传感器。目前光电编码器已不仅仅能实现角度的测量，对于物体的转速、直线位移等相关物理量也能够实现测量。
1.1.3 光电编码器的分类
根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种[4-6]：
(1)增量式光电编码器
增量式光电编码器是直接利用光电转换原理输出矩形波脉冲信号。它的优点是结构简单、机械平均寿命长、可靠性高、抗干扰能力强、传输距离远；其缺点是只能输出轴转动的相对位置信息。当增量式编码器转轴旋转时，就有对应的脉冲信号输出，其计数起点可以是任意位置，能实现多圈无限累加和测量。当需要提高测量精度时，可利用 90°相位差的A、B 两路信号进行倍频或更换更高分辨率的增量式编码器。
增量式光电编码器主轴每旋转一圈会输出固定数量的脉冲，脉冲数由光电编码器光栅的条数决定。单位时间内或周期性的脉冲计数测量可以用来计算增量式光电编码器主轴旋转的速度，假定在一个参考点之后的脉冲数依次被累加，脉冲数值就代表光电编码器相应转动的角度数。例如双通道增量式光电编码器输出A、B两路脉冲，脉冲A和脉冲B之间相位差为 90°，可以利用这两路信号来计算增量式光电编码器转动的脉冲数和判断其旋转方向；三通道增量式旋转编码器相对于双通道增量式光电编码器，每旋转一圈多输出一个零位信号的脉冲Z，该信号主要用来校准和计算光电编码器的旋转圈数。利用鉴向盘来判断增量式光电编码器的旋转方向，由于鉴向盘的A、B两路脉冲相位相差为90o，这样就可以利用A、B两路输出波形上升沿到来的前后来判断增量式光电编码器的转动方向，如图1.2所示，脉冲A比脉冲B相位超前90°，则为正转，反之亦然。
图1.2 光电编码器两路输出波形
(2)绝对式光电编码器
绝对式光电编码器是直接输出数字量的传感器，有若干同心码道沿径向分布在它的圆形码盘上，每个同心码道都是由不透光和透光扇形区依次相间构成的，各码道之间扇区数目呈2n 关系，码盘上的码道数由外至内依次对应二进制数码的位数，同增量式光电编码器一样，光栅码盘的左侧是光源，右侧是每个码道对应的光电接收器；当码盘位于不同位置时，各光电接收器根据受光与否输出高低电平信号。如图1.3所示，绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同之处在于光栅码盘上刻画的光栅条纹，绝对式光电编码器可有多种编码方式，可采用二进制码、循环码、二进制补码等，根据读出码盘上的编码数值，检测出对应的绝对位置，而且可以从编码数值大小的变化判别主轴旋转方向和位移所处的位置，绝对式光电编码器的测量范围为
0~360°。
E
2
0000122
2
321
（a ） 4位普通二进制码盘 （b ） 4位格雷码码盘
图1.3 绝对式光电编码器
由于绝对式光电编码器为光栅码盘上每个位置都对应一个唯一的编码数字值，可以用来记忆其停电时的位置，主要运用在电机定位控制中，绝对式光电编码器不但简化了一些电子电路设备，去除了一些波形处理的输入装置，而且当绝对式光电编码器重新上电时，不用再将光电编码器转回到参考点位置，因为绝对式光电编码器每个位置都对应唯一的编码值，所以可利用此时光电编码器的位置作为参考点。 其中单圈绝对式光电编码器是将光栅码盘细分成若干个份，单圈绝对式光电编码器最大分辨率可达13位，这就说明其一圈360°被分成8192份；相对于单圈绝对式光电编码器，多圈绝对式光电编码器不但能实现单圈内测量角度，而且能够进行多圈测量，多圈绝对式光电编码器最大可达12位，也就是说可以细分4096 圈。绝对式光电编码器与微处理器之间的数据传输方式可以分为并行传送和串行传送两种类型。 (3)混合式光电编码器
相对于增量式光电编码器，混合式光电编码器增加了一路码道，这路码道是对永磁伺服电机磁极的位置进行测量。它主要有两组输出信息：一组信息与增量式光电编码器的输出完全等
同；另一组信息用于测量伺服电机磁极的位置。混合式光电编码器码盘的最外圈是高密度的增量式光栅，中间有四个二进制葛莱码码道，分别分布在四个圆环上，每个四位二进制葛莱码对应码盘的四分之一圆角度，即每四分之一圆由四位二进制葛莱码分成16等份，码盘最里面一路码道每转一圈产生一个脉冲。在一定程度上混合式光电编码器输出的二进制码信息与磁极的位置具有对应关系。一般给出相位差120°的三相信号，用于控制永磁伺服电机定子的三相电流相位。如图1.4所示，混合光电编码器输出的波形信号U +(U -)、V +(V -)和W +(W -)三相脉冲信号彼此相差120°，其中U +和U -、V +和V -、W +和W -是差分信号，每转的脉冲数与电机的极对数相对应。根据U 、V 、W 三相脉冲信号的电平高低可以判断电机磁极当前的位置，其原理是：电机启动前，利用U 、V 、W 三相脉冲的电平高低关系计算出电机磁极此时的位置。
+
A ?
A +
B ?
B +
C ?
C +
U ?
U +
V ?
V +
W ?
W
图1.4 混合式光电编码器的输出波形
1.2 光电编码器研究现状
为满足现代军事、航空航天、精密制造、医疗卫生、生物工程的需要，国内、外各光电编码器生产厂家和研究机构在光电编码器的细分技术研究方面已经取得很大的进展[7]。现有的细分方法大致可分为光学细分、机械学细分和电子学细分三大类。
1.2.1 光学细分
光学细分法，通过一些光学方法增加光栅码盘的刻度数，进而提高莫尔条纹数，使得光电编码器在一定周期能输出的脉冲数增加，可知光电编码器的对转轴一周内可测量角度越小，这样就提高光电编码器的精度和分辨率。其中由台湾Ching —Fen Kao 等人改进的二维光栅平面式编码器，提高了读数头与主光栅之间以及其它元器件之间的公差范围，信号的对比度接近100%，其实验样机的原始分辨率为0.4μm ，经400细分后信号分辨率达1nm [8]。但是由于其对光栅的制造精度和硬件要求较高，所以工艺非常复杂，这对于缩小仪器体积、控制成本、提高系统可靠性等都是不利的。
1.2.2 机械学细分
与一般光电编码器和被测量器件采用同轴连接方式不同，机械学细分法是将被测量器件和光电编码器主轴分别与两啮合的齿轮主轴连接，将被测量器件连接啮合齿轮组中半径较大的齿
轮，光电编码器与半径较小的齿轮连接。如果光电编码器和被测量器件采用同轴连接时，被测量器件每转一圈，光电编码器也相应的旋转一圈；如果光电编码器和被测量器件采用机械细分法的连接方式，根据两啮合齿轮组半径不等，齿轮角速度也不相同这一特点，假设大齿轮半径是小齿轮的n倍，被测量器件每转一圈，光电编码器相应的旋转n圈，这样光电编码器的分辨率相应的就提高了n倍。这种方法理论上能很好的提高光电编码器的测量分辨率，但由于光电编码器本身就是高精度的仪器，而齿轮的连接和齿轮转动过程中磨损、齿轮传动链的误差等都对光电编码器精度造成较大的影响，对齿轮的安装和制造要求较高。此外由于加入了齿轮组，占用了较大的空间，这对光电编码器的集成化是不利的[9]。
1.2.3 电子学细分
电子学细分是把光电编码器中一对光栅副移动单位栅距的位移量，经过光电接收器进行光电转换，得到一个周期的波形量值，再利用插补系数和电子学的方法进行细分。电子学细分提高了信号的重复频率，所以电子学细分法又被称为倍频法。实现细分是在一个信号周期内进行的，在单位周期内插入多个脉冲，所以也把电子学细分法叫做内插法。例如潘建国、姜凌等人采用积分型倍频法，将光电编码器信号经过光电隔离得到两路信号A、B，再经过积分电路取出两路信号的上升沿及下降沿，对信号进行了四倍频细分[10]，四倍频细分法具有原理简单，易于实现，性价比较高，但由于其最大只能四倍频细分，可扩展性差；谷云彪、熊元新提出一种实用可行的光电编码器位置细分方法[11]，即幅值细分方法，这种方法具有实时性好、细分数高等优点，因为其采用编码器输出A、B信号进行细分，抗干扰能力和稳定性差；随着计算机及软件技术的发展，现在最常用的是软件细分，软件细分是把光电信号，经过A/D转换，变成数字信号，送入DSP中进行细分，依靠编制程序、计算、查表、查值的方法来实现[12-14]，这种方法充分利用了DSP运算速度快、处理数据能力强的优点，莫尔条纹细分的可靠性和细分精度提高，具有操作简单、可移植性好，缺点是：它的细分份数受A/D转换芯片的位数限制，过于提高A/D转换器的位数和转换精度就会把莫尔条纹信号中的随机干扰转换成不稳定因素而影响光电编码器精度。
近年来，随着计算机技术和测控技术的发展，光电编码器可以实现上万倍的细分，但是由于测量精度的要求越来越高，需要不断的寻求新的细分方法，这就在检测领域形成了一个重要的研究方向。光学细分法和机械细分法都是利用硬件来实现的，随着细分倍数的不断增加，相应的电路体积不断加大，工艺难度增加，这就出现一系列问题，如仪器体积大、控制成本高、系统可靠性低等。相比之下，电子学细分法具有易于实现测量和数据处理过程的自动化、读数快、可用于动态测量等优点，因而得到了广泛的应用[15]。
1.3 光电编码器发展趋势
由于航空航天、自动化控制等行业的发展，对于光电编码器的小型化、智能化、集成化特别是小型化要求越来越迫切，然而制约光电编码器小型化的因素众多，编码方式是其中的一个重要因素，为了解决编码问题，许多国家的厂家和研发机构做了大量的研究工作，如游标码、图像码等。由于光栅雕刻技术的要求越来越高，然而雕刻越来越精密的光栅不仅成本过高，而且周期较长，所以需要研究不依靠制造技术提高光电编码器精度的方法。
近年来，随着计算机技术的快速发展，加速了光电编码器的智能化和集成化。智能化方面如具有CAN总线接口的光电编码器，具有抗干扰能力强、通信方式灵活、实时性好、数据出错率低、自检能力强、开放性好等特点，能有效的满足控制系统的现场总线设计要求；集成化方面有利用A/D直通处理和分时驱动等光电采集技术代替传统硬件电路，来减小电路部分空间，实现高集成度的光电编码器。微机在应用于光电编码器细分技术进行位移测量领域取得很大进步，但由于微机集成度较低，体积较大等缺点，严重制约了光电编码器的集成化。目前随着DSP、FPGA等技术的快速发展，为增量式光电编码器小型化、集成化[16-17]创造了条件。
1.4 研究目的与研究内容
1.4.1 研究目的
通过对嵌入式系统技术的全面调研和对提高光电编码器的各种方法的深入研究，并针对国内先进制造技术研究起步较晚的现状，结合现代工业对高精度检测技术的越来越高的要求，紧跟光电编码器未来的发展趋势，吸收了世界高精度光电编码器技术和高精度时间测量技术的最新成果，本文基于目前数控系统中常用的低成本、低分辨率的增量式光电编码器进行高精度的运动位置检测技术研究，通过采用算法细分技术提高编码器的精度和可靠性，使检测精度得到大幅度提高，为实现高速高精度数控运动控制提供技术支撑，并对测量系统的研究和开发提供一定价值的参考和借鉴。
1.4.2 研究内容
论文的研究内容主要有以下几个部分：
1.对提高光电编码器精度的各种方法进行系统分析，提出高精度位置检测技术的关键问
题；
2.提出两种提高光电编码器精度的理论和方法：模数转换法和时空转换法，解决实现高
精度位置检测技术的关键问题；
3.设计出基于FPGA的脉冲信号之间纳秒级精度的时间测量，以满足时空转换法的高精
度时间间隔测量的要求，防止测量时间的不精确而影响基于增量式光电编码器位置检
测技术的精度；
4.分析两种提高光电编码器精度细分方法对信号处理的要求，搭建出实时性强、可靠性
高的光电编码器信号处理硬件电路；
5.对两种提高光电编码器精度细分方法进行相应软件的编写设计，实现基于增量式光电
编码器的高精度位置检测技术。
1.5 论文结构与安排
论文的组织结构安排如下：
第一章主要介绍光电编码器的发展历史、国内外研究现状及发展趋势，然后简述本文的研究内容与组织结构；
第二章在分析现有的提高光电编码器精度的电子学细分方法和时间测量技术的基础上，提出了两种提高光电编码器精度的理论和方法：模数转换法和时空转换法；
第三章在性能和功能分析的基础上，介绍了以DSP和FPGA为核心实现光电编码器信号处理的硬件电路的设计与开发；
第四章详细介绍了基于时间数字转换（TDC）技术和FPGA器件实现高精度计时的原理、编程方法与仿真结果；
第五章主要介绍光电编码器信号处理的软件设计，包括光电编码器输出信号的预处理、细分方法以及测试界面的软件设计；
第六章对两种提高光电编码器精度方法实验的结果及误差进行分析，验证本文提出的高精度位置检测技术的有效性；
第七章对本文所完成的研究工作进行总结，并提出对后续研究工作的展望。
第二章提高光电编码器精度的理论和方法
2.1 电子学细分方法研究
2.1.1 四倍频鉴相细分
四倍频鉴相细分是在实际中运用较多的一种电子学细分方法，所谓四倍频鉴相细分方法就是对相位差90°两路矩形波信号的上升沿和下降沿分别进行采样实现四倍频，通过两路矩形信号相位前后来判断转动的方向实现鉴相[18]。如图2.1所示，A、B两路矩形波信号可以认为光电编码器原始正弦波信号通过电压比较器整形得到的，A路信号矩形波信号比B路矩形波信号相位超前90°，分别对A、B两路信号的上升沿和下降沿进行采样，在第一个周期T内，A矩形波可以得到1、3两个脉冲，B矩形波可以得到2、4两个脉冲，将1、2、3、4四个脉冲进行累加，在周期T内可以得到4个脉冲，依次类推得到波形C。从图中可以看出，波形C的频率分别是矩形波A和矩形波B的4倍，A相位超前B相位为正向转动，反之，为反向转动。
图2.1 四倍频鉴相细分波形图
2.1.2 移相电阻链细分
移相电阻链细分是应用较为广泛的电子学细分技术，一般是对相位差为90°的交变信号进行细分。其基本原理：将两个相位不同的交变电压信号加在电阻链的两端，由于电压合成过程的移相作用，在电阻链的各个结点上将得到幅度和相位不同而周期相同的一系列交变电压信号，再用电压比较器对这些电压信号进行鉴幅、整形，将原始的两交变电压信号细分成数个脉冲信号，进而达到细分的目的[19]。
如图2.2所示，移相电阻链主要由R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8八个电阻串联组成的，交流电压信号U sinθ、U cosθ、-U sinθ、-U cosθ逆时针依次位于电阻链的两个正负主轴上。
安全是企业生存发展的首要基础。在电力、化工等大型复杂作业环境中，现场设备多，作业过程多变，对现场人员的安全防护管理更是重中之重的首要任务。 人员的位置管控是安全管理的主要因素。必须严格管理作业人员按照安全规定的位置和路线进行作业，危急情况下更需要准确获知人员的实时位置，以便及时准确施救。 但是，在这些场合，受现场环境的限制，通用的室外GPS定位或普通的室内定位技术很难达到预期的精度和要求，迫切需要研制特定的定位设备和系统，实现作业人员的实时定位和追踪管理，保障作业安全。 技术难点 1、电厂、化工厂厂区建筑物复杂，大型设备多，建筑物的遮挡、金属电磁干扰反射等因素使得常见的技术方案难以实现精准定位。 2、作业人员活动的随机性高，包括室内、室外、管廊等位置，无法采取路径吸附等位置纠正算法。 3、人员的活动状态、姿态等安全信息也需要感知。 4、对设备的防爆性、携带和使用的方便性、待机时间等要求高。 人员定位解决方案 针对电厂、化工厂的定位需求，云酷科技采用UWB精准定位、激励器存在性检测定位、车辆采用GPS定位技术相结合的定位方案。 整体定位方案运用业内领先的TOA算法，同时结合定位大数据分析，解决了传统定位模式抗干扰能力差、定位准确度低、安装布线困难、成本费用高等问题；针对不同区域提供不同定位解决方式，达到定位精准度适宜，投入性价比高的建设目标。同时考虑到不同电厂的业务需求不同，系统拥有两票管理、缺陷/隐患管理、到岗到位管理、外委管理、工器具管理、车辆管理、手机APP等多种功能模块。支持电子围栏、人脸识别、视频监控联动、智能门禁
联查、各类报警预警等功能。 该方案可帮助中电厂厂区实现现场操作的更加规范化、协同化、科学化和智能化，人员安全监控和管理变得更加主动、及时和准确，大大提升企业精细化管理水平和企业人员安全，成功搭建事前预防、事中及早发现、事后可追溯的安全防范机制，成为智慧电厂的代表性项目之一。
绝对式光电编码器基本构造及特点 用增量式光电编码器有可能由于外界的干扰产生计数错误，并且在停电或故障停车后无 法找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对式光电编码器可以避免上述缺点。绝对式光电编码器的基本原理及组成部件与增量式光电编码器基本相同，也是由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。与增量式光电编码器不同的是，绝对式光电编码器用不同的数码来分别指示每个不同的增量位置，它是一种直接输出数字量的传感器。在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N 位 二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N 条码道。绝对式光电编码器原理如图1-8 所示。 绝对式光电编码器是利用自然二进制、循环二进制（格雷码）、二-十进制等方式进行光 电转换的。绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对光电编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。它的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失；编码器的精度取决于位数；最高运转速度比增量式光电编码器高。 图1-8 绝对式光电编码器原理 1.3.2 码制与码盘 绝对式光电编码器的码盘按照其所用的码制可以分为：二进制码、循环码（格雷码）、 十进制码、六十进制码（度、分、秒进制）码盘等。四位二元码盘（二进制、格雷码）如图1-9 所示。图中黑、白色分别表示透光、不透光区域。
光电编码器原理课件
光电编码器 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90&or dm;的两路脉冲信号。 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。(REP) 1.1增量式编码器
增量式编码器是直接利用光电转换原理 输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，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。 1.2绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。
光电编码器分类及作用 光电编码器是一种通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换为脉冲或数字量的传感器，主要由光源、码盘、光学系统及电路4部分组成， 光电编码器主要有增量式编码器、绝对式编码器、混合式绝对值编码器、旋转变压器、正余弦伺服电机编码器等，其中增量式编码器、绝对式编码器、混合式绝对值编码器属于数字量编码器，旋转变压器、正余弦伺服电机编码器属于模拟量编码器． 一、增量式编码器 增量式编码器可以将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，通过计数设备来知道其位置．增量式光电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别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）的传感方法，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，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），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。 二、绝对式编码器 绝对式编码器每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。其位置是由输出代码的读数确定的。当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。重新上电时，位置读数仍是当前的。绝对编码器能够直接进行数字量大的输出，在码盘上会有若干的码道，码道数就是二进制位数。在每条码道上都会由透光与不透光的扇形区域组成，通过采用光电传感器对信号进行采集。在码盘两侧分别设置有光源和光敏元件，这样光敏元件则能够根据是否接受到光信号进行电平的转换，输出二进制数。并且在不同位置输出不同的数字码。从而可以检测绝对位置。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数。优点：可以直接读出角度坐标的绝对值，没有累积误差，电源切除后位置信息不会丢失。编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。 三、混合式绝对值编码器 混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。 四、旋转变压器 旋转变压器简称旋变，是一种可变耦合原理工作的交流控制电机。它的副方（次级）输出电压与转子转角呈确定的函数关系。由经过特殊电磁设计的高性能硅钢叠片和漆包线构成的，相比于采用光电
增量式旋转编码器工作原理 增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。在接合数字电路特别是单片机后，增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉价和简易的优势。 下面对增量式旋转编码器的内部工作原理（附图） A,B两点对应两个光敏接受管，A,B两点间距为 S2 ,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。 当角度码盘以某个速度匀速转动时，那么可知输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值相同，同理角度码盘以其他的速度匀速转动时，输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。如果角度码盘做变速运动，把它看成为多个运动周期（在下面定义）的组合，那么每个运动周期中输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。 通过输出波形图可知每个运动周期的时序为 我们把当前的A,B输出值保存起来，与下一个A,B输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向， 如果光栅格S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消毫的时间，就得到此次角度码盘运动位移角速度。 S0等于S1时，且S2等于S0的1/2时，1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度了。
我们常用的鼠标也是这个原理哦。 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 1.1增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90o，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，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。 光电编码器分类和选择 光电编码器是利用光栅衍射原理实现位移—数字变换的，从50年代开始应用于机床和计算仪器，因其结构简单、计量精度高、寿命长等优点，在国内外受到重视和推广。近年来更取得长足的发展，在精密定位、速度、长度、加速度、振动等方面得到广泛的应用。 光电编码器按编码方式分为二类：增量式与绝对式。 1、增量式编码器特点： 增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高分辩率时，可利用 90 度相位差的 A、B 两路信号进行倍频或更换高分辩率编码器。 2、绝对式编码器特点： 绝对式编码器有与位置相对应的代玛输出，通常为二进制码或 BCD 码。从代码数大小的变化可以判别正反方向和位移所处的位置，绝对零位代码还可以用于停电位置记忆。绝对式编码器的测量范围常规为 0—360 度。
万能增量式光电编码器控制的伺服 电机零位调整技巧 下述述两种调法完全取决于你的手工能力和熟练程度,一般来说,每款伺服电机都有自己专门的编码器自动调零软件.不外传仅是出于商业羸利和技术保密.如果你是一家正规的维修店,请不要采用以下方法,应通过正常渠道购买相应的专业设备.实践证明,手工调整如果技巧掌握得当, 工作仔细负责,也可达到同样的效果. 大批量更换新编码器调零方法 第一步:折下损坏的编码器 第二步:把新的编码器按标准固定于损坏的电机上第三步:按图纸找出Z信号和两根电源引出线,一般电源均为5V. 第四步:准备好一个有24V与5V两组输出电源的开关电源和一个略经改装的断线报警器,把0V线与Z 信号线接到断线报警器的两个光耦隔离输入端上。 第五步:在电机转动轮上固定一根二十厘米长的横杆,这样转动电机时转角精度很容易控制. 第六步:所有连线接好后用手一点点转动电机轮子
直到报警器发出报警时即为编码器零位,前后反复感觉一下便可获得最佳的位置,经实测用这种方法校正的零位误差极小,很适于批量调整,经实际使用完全合格.报警器也可用示波器代替,转动时当示波器上的电压波形电位由4V左右跳变0V时或由0V跳变为4V 左右即是编码器的零位.这个也很方便而且更精确.杆子的长度越长精度则越高,实际使用还是用报警器更方便又省钱.只要用耳朵感知就行了.在编码器的转子与定圈相邻处作好零位标记,然后拆下编码器。 第七步:找一个好的电机,用上述方法测定零位后在电机转轴与处壳相邻处作好电机的机械零位标记第八步:引出电机的U V W动力线,接入一个用可控制的测试端子上,按顺序分别对其中两相通入24V 直流电,通电时间设为2秒左右,观察各个电机最终停止位置(即各相的机械零位位置)其中一个始必与刚才所作的机械零位标记是同一个位置.这就是厂方软件固定的电机机械零位,当然能通过厂方专用编码器测试软件直接更改编码器的初始零位数据就更方便了.如果你只有一台坏掉的伺服电机,你就要根据以上获得的几个相对机械零位逐个测试是不是我们所要的那个位置,这一步由伺服放大器的试运行模式来进行测试.有关资料是必须的,否则不要轻易动手,以
光电编码器 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。绝对脉冲编码 器:APC 增量脉冲编码器:SPC 1.光电编码器原理 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的脉冲信号。 1.1 增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。 增量式光电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别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）的传感方法，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，增量式光电编码器输出A、B两相互差 90度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），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电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。 增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干
增量式编码器的工作原理与使用方法 1．工作原理 旋转编码器是一种采用光电等方法将轴的机械转角转换为数字信号输出的精密传感器，分为增量式旋转编码器和绝对式旋转编码器。 光电增量式编码器的工作原理如下：随转轴一起转动的脉冲码盘上有均匀刻制的光栅，在码盘上均匀地分布着若干个透光区段和遮光区段。 增量式编码器没有固定的起始零点，输出的是与转角的增量成正比的脉冲，需要用计数器来计脉冲数。每转过一个透光区时，就发出一个脉冲信号，计数器当前值加1，计数结果对应于转角的增量。 增量式编码器的制造工艺简单，价格便宜，有时也用来测量绝对转角。 2．增量式编码器的分类 1）单通道增量式编码器内部只有一对光电耦合器，只能产生一个脉冲序列。 2）AB相编码器内部有两对光电耦合器，输出相位差为90°的两组脉冲序列。正转和反转时两路脉冲的超前、滞后关系刚好相反。由下图可知，在B相脉冲的上升沿，正转和反转时A 相脉冲的电平高低刚好相反，因此使用AB相编码器，PLC可以很容易地识别出转轴旋转的方向。 需要增加测量的精度时，可以采用4倍频方式，即分别在A、B相波形的上升沿和下降沿计数，分辨率可以提高4倍，但是被测信号的最高频率相应降低。 3）三通道增量式编码器内部除了有双通道增量式编码器的两对光电耦合器外，在脉冲码盘的另外一个通道有1个透光段，每转1圈，输出1个脉冲，该脉冲称为Z相零位脉冲，用 做系统清零信号，或坐标的原点，以减少测量的积累误差。 2．编码器的选型 首先根据测量要求选择编码器的类型，增量式编码器每转发出的脉冲数等于它的光栅的线数。在设计时应根据转速测量或定位的度要求，和编码器的转速，来确定编码器的线数。编码器安装在电动机轴上，或安装在减速后的某个转轴上，编码器的转速有很大的区别。还应考虑它发出的脉冲的最高频率是否在PLC的高速计数器允许的范围内。 3．编码器与PLC高速计数器的配合问题 以S7-200为例，使用单通道增量式编码器时，可选高速计数器的单相加/减计数器模式（模式0~5），可细分为有/无外部方向输入信号、有/无复位输入和有/无启动输入信号。 使用AB相编码器时，高速计数器应选A/B相正交计数器模式（模式9～11），可以实现在正转时加计数，反转时减计数。 4．怎样判断AB相编码器是正转还是反转? S7-200的高速计数器用SM区中的当前计数方向状态位来指示编码器的旋转方向。如果编 码器输出脉冲的周期大于PLC的扫描循环时间的两倍，通过在B相脉冲的上升沿判断A相 脉冲信号的0、1状态，可以判断编码器旋转的方向。
三种定位精度测量工具的比较 (个人理解、供交流参考) 关键词：数控轴线、定位精度、经济、实用、可靠、测量方法 通过对三种测量工具的比较，得出结论：用光栅尺测定位精度，是一种经济、实用、高效的办法 Q：定位精度是什么？ A：指坐标轴在数控装置控制下运动所能达到的位置精度，实际位置与理想位置之间的误差称为定位误差。 简单理解：工人希望滑台按照控制指令运动到位置A(45mm)，实际滑台运动到位置A’(45.03mm)。那么，目标位置A与实际位置A’之间的差异就是定位误差(即0.03mm)。（实际检测中，需要按照一定的取样规律、多点重复多次测量，并按照统计学方法计算系统定位精度。有国标参考，不在罗嗦） Q：定位精度这个概念、这个参数代表着什么？ A：在数控机床中，这个数值越小，表示床子的精度越高，能用于加工高精度要求的工件。(例如：图纸要求钻2个孔，孔间距尺寸要求是50±0.01mm，显然这个尺寸要求对一台0.03mm定位误差的床子来说，相当艰难！这个零件需要在更高精度的床子上加工) Q：如何测量定位精度？(三种不同测量工具的对比) A：关键在于选什么样的工具去测出滑台的实际位置？要根据实际情况选一把合适的“尺子”。 1>激光干涉仪(雷尼绍、安捷伦等品牌) 优点：这是国际标准中首选的测量工具，相当的高大上。准确、权威、自动数据处理并出报告，而且是非接触式测量。当前所有的三坐标测量仪出厂前都要用激光干涉仪检测定位精度并在系统螺距补偿参数中进行μ级精度的补偿。 据说可以测0.0001精度等级的设备！！！保守分析，测±0.002mm级别的定位精度不在话下。 缺点：贵！价格大概是￥20w左右。(土豪可优选) 2>标准尺(三丰)+光学读数显微镜
高分辨率，高精度角度编码器 机械制造业作为基础工业，其发展在国民经济中有着举足轻重的作用，而精密测量技术是它发展的基础和先决条件。测量的精度和效率在一定程度上决定了制造业乃至技术发展的水平。元素周期表的发明者门捷列夫说过：“从开始有测量的时候起，才开始有科学。没有测量，精密科学就没有意义”。新的测量方法标志着真正的进步，测试技术的水平是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。仅就几何测量仪器的发展来看，在19世纪中叶以前，机械制造业中的主要测量工具是钢板刻线尺，测量精度为1mm。机械式测量器具，如游标卡尺和千分尺的出现，将测量精度提高到了0.01mm。量块出现以后，采用量块作为长度基准，大大推动了微差测量法的发展，将测量精度提高到了微米级。进入20世纪30年代、40年代以后，出现的电动量仪、光学量仪和气动量仪，以及诞生于近20年的激光干涉仪，隧道扫描显微镜，除继续使用机械式测量器具以外，还逐渐采用了基于几何光学与物理光学原理的光学量仪，这都极大的促进了当时技术的发展，为几何量的测量开辟了新的。 随着科学技术和制造业的发展，各个领域对测量微小尺寸的要求越来越迫切，传统的测量技术和设备难以在精度、效率及自动化程度方面完全满足要求，甚至根本无法实现。显然，融合当今的最新科学理论和技术成果，开发高效率的智能化精密测量系统有着重要的理论意义和实用价值。 角度是一个重要的计量单位，角度测量是计量技术的重要组成部分。不仅有以检测角度为目的的角度检测，还有为了检测的方便和可靠，将其他物理量也转换成角度量来进行检测的角位移检测。生产和科学的不断发展使得角度测
量越来越广泛地应用在工业、科研等领域，技术水平和测量准确度也在不断提高。 角度测量技术按照测量原理可以分为三大类：机械式测角技术、电磁式测角技术和光学测角技术。机械式和光学测角技术的研究起步较早，技术也已经非常成熟。光学测角方法比一般的机械和电磁方法有更高的准确度，而且更容易实现细分和测试过程的自动化，但使用我公司研究新的电感式测角技术将精度提高至±3″。在高精度角度测试技术领域，各种新型的测角技术不断涌现，成为高精度测角技术的主流方向。随着电子计算机技术的蓬勃发展，使得以近代波动光学为基础的光电检测法得以实现自动化，这极大地扩充了角度测量的应用范围。按照被测角性质可以分为静态角度测量和动态角度测量两种。高精度角度测试技术在静态角度测试领域己经日趋成熟，各种测试理论和方法日益完善。然而，实现动态角度的高精度测量，是测角技术领域的一个难点，也因此成为国内外测角技术研究的一个热点。 国内外角度测量的研究现状 1 机械测角法 测角技术中研究最早的是机械式测角法，主要以多齿分度盘为代表，它是一种基于机械分度定位原理的圆度分度技术。最早的多齿分度盘的雏形出现在20世纪20年代，完整的圆分度器件是由美国Gate公司研制成功的，并于1960年获得该技术专利，其分度为士o．25”。前苏联考纳斯机床厂研制的YLUI-05型角度测量仪最小分度间隔为15”，测量误差不大于O．1”。由于多齿分度盘的齿数不能无限增加，因此细分受到限制，由此而出现了差动细分方法。原理上，差动
绝对式光电编码器 （一)绝对式光电编码器的结构与原理 绝对式光电编码器的核心部件是编码祝．纳码盘内透叫区及不透明区组成。这些：透明区 反不透明K按定编码构成，编码盘L码道的条数就是数码的位数。阁13 [u(a)所不为—— 个4垃自然：：进制编码册的编码盘。钽电容长涂黑部分力个透明R，输：U为“117，则主白部分为透叨 K。输i11为“o”．它毛4条码道，对应诲一条码道有一个光电冗件木接收透过编码双的光线。当 编仍痞；与被测物转抽赵转动时．片采用n位编码盘．则能分辨的角度为： o——36()。／2” 自然二进制码虽然简单．但存在着使用上的问题．这是巾于团束转换点处位置不分叫而引 起的粗大娱差。例如，在出7转换到8的位量时光束要通过编码盘?)111利1000的交界处(或 称汉越区)。山1编悦捻的制造工艺和光敏元件女装的误差．有可能使汝数头的最内圈(而位) 定价值世上的光电几件比其余的超前或落后一点．这构导致可能出现两种极洲的读数值，即 1111和oooo，从而引起读数的粗大误差．这种误差是绝刘不能允许的。
为了避免这种误差．uJ采用格雷码(G，3y code)图案的编码投，表13 3结出丁格 箭码和 自然：：进制码的比较。山此表uJ以看出，格雷码具有代码从任何值转换到相邻值时字节各位 数户仅有一位发生状态变化的特点；闹自然二进制码则不同，代码经常有2—3位甚至4位数 值间N史化的情况。希迪电子这样，采用格雷码的方法即使发生前述的错移．由于它在迎位时相邻界面 团案的转换仅仅发小一个最小量化中仿(最小分辨率)的此变，因而不会产生粗大误差。这种 编码力法称作单位距离性码，是常采用的方菇。 绝对式光电编码器刘府每一条码道有——个光电元件，当码道处于不向角度时，经光电转换 的输出就呈现山不同的数码、如田13—10(b)所不。它的优点是没有触点磨损，因而允许转速 高．员外届缝隙宽度LJJ做得更小，所以精度也很高，其缺点是结构复杂、价格高、光源寿命短。 国内已有14他编码器的定型产品。
增量编码器概述 工作原理： 增量编码器是一种将旋转位移转换为一连串数字脉冲信号的旋转式传感器。这些脉冲用来控制角位移。在Eltra 编码器中角位移的转换采用了光电扫描原理。读数系统以由交替的透光窗口和不透光窗口构成的径向分度盘（码盘）的旋转为依据，同时被一个红外光源垂直照射，光把码盘的图像投射到接收器表面上。接收器覆盖着一层衍射光栅，它具有和码盘相同的窗口宽度。接收器的工作是感受光盘转动所产生的变化，然后将光变化转换成相应的电变化。再使低电平信号上升到较高电平，并产生没有任何干扰的方形脉冲，这就必须用电子电路来处理。读数系统通常采用差分方式，即将两个波形一样但相位差为180°的不同信号进行比较，以便提高输出信号的质量和稳定性。读数是再两个信号的差别基础上形成的，从而消除了干扰。 增量编码器 增量编码器给出两相方 波，它们的相位差90°，通常 称为A 通道和B 通道。其中一个通道给出与转速相关的信息，与此同时，通过两个通道信号进行顺序对比，得到旋转方向的信息。还有一个特殊信 号称为Z 或零通道，该通道给 出编码器的绝对零位，此信号是一个方波与A 通道方波的中心线重合。 增量型编码器精度取决于机械和电气两种因素，这些因素 有：光栅分度误差、光盘偏心、轴承偏心、电子读数装置引入的 误差以及光学部分的不精确性。确定编码器精度的测量单位是电 气上的度数，编码器精度决定了编码器产生的脉冲分度。以下用 360°电气度数来表示机械轴的转动，而轴的转动必须是一个完 整的周期。要知道多少机械角度相当于电气上的360度，可以用 下列公式来计算： 电气360 =机械360°/n °脉冲/转 图：A 、B 换向时信号 编码器分度误差是以电气角度为单位的两个连续脉冲波的最大偏移来表示。误差存在于任何编码器中，这是由前述各因素引起的。Eltra 编码器的最大误差为±25电气角度（在已声明的任何条件下），相当于额定值偏移±7%，至于相位差90°（电气上）的两个通道的最大偏差为±35电气度数相当于额定值偏移±10%左右。 UVW 信号增量型编码器 除了上述传统的编码器外，还有一些是与其它的电气输出信号集成在一起的增量型编码器。与UVW 信号集成的增量型编码器就是实例，它通常应用于交流伺服电机的反馈。这些磁极信号一般出现在交流伺服电机中，UVW 信号一般是通过模拟磁性原件的功能而设计的。在Eltra 编码器中，这些UVW 信号是用光学方法产生，并以三个方波的形式出现，它们彼此偏移120°。为了便于电机启动，控制电动机用的启动器需要这些正确的信号。这些UVW 磁极脉冲可在机械轴旋转中重复许多次，因为它们直接取决于所连接的电机磁极数，并且用于4、6或更多极电机的UVW 信号。
本技术涉及一种基于位置编码的位移检测系统及检测方法，由固定有位置编码尺的工作台、光学成像系统、面阵CCD传感器、图像采集卡、PC机和电源模块组成。本技术运用面阵CCD传感器采集工作台上位置编码尺在移动方向上起止位置的两幅编码图像，对编码图像进行校正、滤波、边缘提取等图像处理，以及解码和定位计算，获取工作台的位移。本技术通过成像系统和CCD传感器进行非接触式位移测量，结构简单，易于小型化；编码简单，抗干扰能力强、易于加工和安装；以编码位“1”值刻线的不同宽度表示不同的编码周期，从而扩大了位移测量范围，且仍能保证位移测量的精度。位移检测系统具有制造成本低廉，操作简单，测量精度高的特点。 权利要求书 1.一种基于位置编码的位移检测系统，由工作台、光学成像系统、面阵CCD传感器、图像采集卡、PC机和电源模块组成，其特征在于： 工作台侧面固定有位置编码尺，位置编码尺尺面和工作台的移动方向平行，其上刻线垂直于工作台的移动方向； 光学成像系统固定在工作台侧方，光学成像系统的光轴垂直于工作台上的位置编码尺尺面，并使之处于光学成像系统的物平面，即光学成像系统将位置编码尺尺面成像在像平面； 面阵CCD传感器安装在光学成像系统的像平面位置，其横向与工作台移动方向平行，即位
置编码尺上刻线的像平行面阵CCD传感器的纵向；面阵CCD传感器通过接口与图像采集卡连接； 2.按照权利要求1所述的一种基于位置编码的位移检测系统，其特征在于：在编码尺上以位置码的起始位置表示不同的空间位置，在编码尺上以宽度L分割成连续的编码位，在每个 编码位上选“0”或“1”两种编码，以空白即无刻线，表示编码“0”；以黑色刻线表示编码“1”，此刻线为“1”值刻线，“1”值刻线起始边与编码位的起始边对齐；宽度为b。 n个连续的编码位组成一个位置码，其码值为n个编码位对应的二进制值所组成的编码值Ci，它对应的标称值Xi表示该位置码与零位置码起始位置间的距离与L的比值，以T个位置码为一个周期，每个周期内的编码值序列相同，每个周期对应相同测量长度0～LT，每个周期所需码位长度为LT+n-1，g个周期码尺的编码长度为gLT+n-1。不同周期内的编码刻线的宽度bj 不同，其满足： a≤b1≤L/g (1) bj＝jb1 (2) 其中：a为图像中每个像素的横向尺寸对应的物方尺寸；j为当前编码对应的周期值，j＝1、2、…、g；g为码尺上编码的周期个数。 编码值Ci的定义：设初始码为C0，则任一位置码的编码值Ci为： Ci＝2Ci-1％2n+t (3) 其中i＝1，2，…，T-1，T＜2n，T为一个周期内位置码的个数；％为取余运算符；t＝0或1，其取值要保证Ci对应的n个编码位中至少有一个编码“1”，且一个周期内的T个编码值不重复并首尾相连，即初始码C0与终止码CT的关系为： C0＝2CT％2n+t (4)
位置检测装置 一、测试目的 位置检测装置 位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在闭环或半闭环控制的数控机床中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。一、数控机床对检测装置的基本要求： 1）稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响小，能够抵抗较强的电磁干扰。 2）满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度，位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级。 3）安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。 数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有决定性的作用。 二、组成部分 位置检测装置的主要性能指标：
1. 精度符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度，数控机床用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。 2. 分辨率位置检测装置能检测的最小位置变化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。 分辨率的高低，对系统的性能和运行平稳性具有很大的影响。检测装置的分辨率一般按机床加工精度的1 ／3～1／10选取，也就是说，位置检测装置的分辨率要高于机床加工精度。 3. 灵敏度输出信号的变化量相对于输入信号变化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏度高，而 且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。 4. 迟滞对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控伺服系统 的传感器要求迟滞小。 5. 测量范围和量程传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地。 6. 零漂与温漂零漂与温漂是在输入量没有变化时，随时间和温度的变化，位置检测装置的输出量发生了 变化。传感器的漂移量是其重要性能标志，零漂和温漂反映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微小变化。
增量式光电编码器原理及其结构 增量式光电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别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）的传感方法，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，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），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1-1 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的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图1-2 所示。增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，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。 图 1-2 增量式光电编码器的输出信号波形 1.2.2 基本技术规格 在增量式光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关 键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式。 （1）分辨率 光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出脉冲数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多， 编码器的分辨率就越高。在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在
增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。在接合数字电路特别是单片机后，增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉价和简易的优势。 下面对增量式旋转编码器的内部工作原理（附图） A,B 两点对应两个光敏接受管，A,B 两点间距为 S2 ,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。当角度码盘以某个速度匀速转动时，那么可知输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值相同，同理角度码盘以其他的速度匀速转动时，输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。如果角度码盘做变速运动，把它看成为多个运动周期（在下面定义）的组合，那么每个运动周期中输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。 通过输出波形图可知每个运动周期的时序为 顺时针运动： A B 逆时针运动： A B 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1
我们把当前的A,B输出值保存起来，与下一个A,B输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向（如果A,B输出11后输出01，则为顺时针；如果输出11后马上输出10，则为逆时针），如果光栅格S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消毫的时间，就得到此次角度码盘运动位移角速度。 S0等于S1时，且S2等于S0的1/2时，1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度了。 我们常用的鼠标也是这个原理。 （以上自https://www.doczj.com/doc/3618341491.html,/pjblog/article.asp?id=11） 增量式的编码器断电后参考点消失，绝对值型的断电能够保持。所以用绝对值型的编码器做的伺服装置失电后可以不用寻找参考点，而增量式的编码器每次设备上电后都必须寻找参考点。 绝对值的有零点和满点的设置，和楼上说的一样，表示的对应设置的位置，即使掉电，也能保持，多用于象闸门的开/关。增量值则没有零点（也就是范围的设置），可以一直接收脉冲信号，那么回原点就要有参考点了，可以用程序或相关的其它硬件帮助寻找。 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// ////////////////////////////////////////////////////// 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 1.1增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90o，从而可方便地判断出旋转方
光电编码器的特性及应用 2009-04-09 15:31 1.光电编码器的工作原理 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感 器， 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动 机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电 动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90o的两路脉冲信号。 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 1.1增量式编码器 增 量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相； A、B两组脉冲相位差90o，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于 基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，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。 1.2绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透 光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏 元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形
成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。 绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛 莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测 绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是： 1.2.1可以直接读出角度坐标的绝对值； 1.2.2没有累积误差； 1.2.3电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。 1.3混合式绝对值编码器 混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。 光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。 2. 光电编码器的应用电路 2.1 EPC－755A光电编码器的应用 EPC－755A 光电编码器具备良好的使用性能，在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。因 此，我们在研制汽车驾驶模拟器时，对方向盘旋转角度的测量选用EPC－755A光电编码器作为传感器，其输出电路选用集电极开路型，输出分辨率选用360 个脉冲/圈，考虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。图2给出了光电编码器实际使用的鉴 相与双向计数电路，鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组成，计数电路用3片74LS193组成。
PLC与增量型旋转编码器的连接 首先，确定PLC是源型输入还是漏型输入，然后选择其所支持型号的编码器。 源型是电流流出，漏型是电流流入。因各品牌厂家PLC设计使用的不同，对于源型和漏型的定义也相对不同(例如三菱的定义和西门子的定义正好相反)，三菱的源型输入与漏型输入，都是相对于PLC 公共端(COM端或M端)而言，电流流出则为源型，电流流入则为漏型。西门子的源型输入与漏型输入，都是相对于PLC输入端子而言，电流流出则为源型，电流流入则为漏型。 PNP与NPN传感器： NPN集电极开路输出电路的输出OUT端通过开关管和0V连接，当传感器动作时，开关管饱和导通，OUT端和0V相通，输出0V低电平信号;PNP集电极开路输出电路的输出OUT端通过开关管和+V连接，当传感器动作时，开关管饱和导通，OUT端和+V相通，输出+V 高电平信号。 源型：三菱：公共端接电源负，输入端接电源正，支持PNP传感器；
西门子：公共端接正，输入端接负，支持NPN传感器； 漏型：三菱：公共端接正，输入端接负，支持NPN传感器；(常用) 西门子：公共端接负，输入端接正，支持PNP传感器。(常用) 判断源型还是漏型输入，只需将plc输入点和公共点短接，如果输入指示灯亮，则为源型输入plc，plc公共点需要接0v，支持PNP传感器。 三菱源型PLC与PNP编码器的接线图 三菱漏型PLC与NPN编码器的接线图（常用）
编码器计算公式(https://www.doczj.com/doc/3618341491.html,) 编码器计算公式 1. 传动(减速)电机线速度计算公式: (1) 线速度计算公式 (1秒脉冲÷编码器分辨率=圈数/秒) (1秒脉冲÷编码器分辨率×传动轮周长×60秒)÷1000毫米=传动线速度(米/分钟) (2) 脉冲当量计算公式 编码器分辨率÷传动轮盘周长=传动轮脉冲当量 2. 运用丝杆计算开合宽度 (1)编码器分辨率÷丝杆螺距=丝杆移动距离脉冲当量