編碼器的工作原理介紹
一、光電編碼器的工作原理
光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目
前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分
地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)
光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖1所示；通過計算每秒光
電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差
90o的兩路脈沖信號。
根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分
為增量式、絕對式以及混合式三種。
（一）增量式編碼器
增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可
方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均
壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕
對位置信息。
（二）絕對式編碼器
絕對編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和
不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位
數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根
據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意
位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 N位
二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內(nèi)已有16位的絕對編碼器產(chǎn)品。
絕對式編碼器是利用自然二進制或循環(huán)二進制（葛萊碼）方式進行光電轉(zhuǎn)換的。絕對式編碼器與增量式
編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編
碼，檢測絕對位置。編碼的設(shè)計可采用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼等。它的特點是：
1．可以直接讀出角度坐標的絕對值；
2．沒有累積誤差；
3．電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，
目前有10位、14位等多種。
（三）混合式絕對值編碼器
混合式絕對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；另一組則完
全同增量式編碼器的輸出信息。
光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的
電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數(shù)字化等優(yōu)點。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、回轉(zhuǎn)臺
、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。
二、光電編碼器的應(yīng)用電路
（一）EPC－755A光電編碼器的應(yīng)用
EPC－755A光電編碼器具備良好的使用性能，在角度測量、位移測量時抗干擾能力很強，并具有穩(wěn)定可靠
的輸出脈沖信號，且該脈沖信號經(jīng)計數(shù)后可得到被測量的數(shù)字信號。因此，我們在研制汽車駕駛模擬器
時，對方向盤旋轉(zhuǎn)角度的測量選用EPC－755A光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開路型，輸
出分辨率選用360個脈沖/圈，考慮到汽車方向盤轉(zhuǎn)動是雙向的，既可順時針旋轉(zhuǎn)，也可逆時針旋轉(zhuǎn)，需
要對編碼器的輸出信號鑒相后才能計數(shù)。圖2給出了光電編碼器實際使用的鑒相與雙向計數(shù)電路，鑒相電
路用1個D觸發(fā)器和2個與非門組成，計數(shù)電路用3片74LS193組成
當光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°，D觸發(fā)器輸出Q（波形W1）為高電
平，Q（波形W2）為低電平，上面與非門打開，計數(shù)脈沖通過（波形W3），送至雙向計數(shù)器74LS193的加
脈沖輸入端CU，進行加法計數(shù)；此時，下面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W4）。當光電編碼器逆
時針旋轉(zhuǎn)時，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，D觸發(fā)器輸出Q（波形W1）為低電平，Q（波形W2
）為高電平，上面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W3）；此時，下面與非門打開，計數(shù)脈沖通過（
波形W4），送至雙向計數(shù)器74LS193的減脈沖輸入端CD，進行減法計數(shù)。
汽車方向盤順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時，其最大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分辨率為360個脈沖/圈的編碼器
，其最大輸出脈沖數(shù)為900個；實際使用的計數(shù)電路用3片74LS193組成，在系統(tǒng)上電初始化時，先對其進
行復(fù)位（CLR信號），再將其初值設(shè)為800H，即2048（LD信號）；如此，當方向盤順時針旋轉(zhuǎn)時，計數(shù)電
路的輸出范圍為2048～2948，當方向盤逆時針旋轉(zhuǎn)時，計數(shù)電路的輸出范圍為2048～1148；計數(shù)電路的
數(shù)據(jù)輸出D0～D11送至數(shù)據(jù)處理電路。
實際使用時，方向盤頻繁地進行順時針和逆時針轉(zhuǎn)動，由于存在量化誤差，工作較長一段時間后，方向
盤回中時計數(shù)電路輸出可能不是2048，而是有幾個字的偏差；為解決這一問題，我們增加了一個方向盤
回中檢測電路，系統(tǒng)工作后，數(shù)據(jù)處理電路在模擬器處于非操作狀態(tài)時，系統(tǒng)檢測回中檢測電路，若方
向盤處于回中狀態(tài)，而計數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出不是2048，可對計數(shù)電路進行復(fù)位，并重新設(shè)置初值。
（二）光電編碼器在重力測量儀中的應(yīng)用
采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，把它的轉(zhuǎn)軸與重力測量儀中補償旋鈕軸相連。重力測量儀中補償旋鈕的角位移
量轉(zhuǎn)化為某種電信號量；旋轉(zhuǎn)式光電編碼器分兩種，絕對編碼器和增量編碼器。
增量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器，其碼盤比絕對編碼器碼盤要簡單得多且分辨率更高 。一般只需
要三條碼道，這里的碼道實際上已不具有絕對編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生計數(shù)脈沖。它的碼盤的外道
和中間道有數(shù)目相同均勻分布的透光和不透光的扇形區(qū)（光柵），但是兩道扇區(qū)相互錯開半個區(qū)。當碼
盤轉(zhuǎn)動時，它的輸出信號是相位差為90°的A相和B相脈沖 信號以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生
的脈沖信號（它作為碼盤的基準位置，給計數(shù)系統(tǒng)提供一個初始的零位信號）。從A，B兩個輸出信號的
相位關(guān)系（超前或滯后）可判斷旋轉(zhuǎn)的方向。當碼盤正轉(zhuǎn)時，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉(zhuǎn)時 ，
A道脈沖比B道滯后π/2。是一實際電路，用A道整形波的下沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài) 產(chǎn)生的正脈沖與B道整形波相‘
與’，當碼盤正轉(zhuǎn)時只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據(jù)輸出
脈沖源和脈沖計數(shù)來確定碼盤的轉(zhuǎn)動方向和相對角位移量。通常，若編碼器有N個（碼道）輸出信號，其
相位差為π/ N，可計數(shù)脈沖為2N倍光柵數(shù)，現(xiàn)在N=2。電路的缺點是有時會產(chǎn)生誤記脈沖造成誤差， 這
種情況出現(xiàn)在當某一道信號處于“高”或“低”電平狀態(tài)，而另一道信號正處于“高”和 “低”之間的
往返變化狀態(tài)，此時碼盤雖然未產(chǎn)生位移，但是會產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。例如，碼盤發(fā)生抖動或手動
對準位置時（下面可以看到，在重力儀測量時就會有這種情況）。
是一個既能防止誤脈沖又能提高分辨率的四倍頻細分電路。在這里，采用了有記憶功能的D型觸發(fā)器和時
鐘發(fā)生電路。每一道有兩個D觸發(fā)器串接，這樣，在時鐘脈 沖的間隔中，兩個Q端（如對應(yīng)B道的74LS175
的第2、7引腳）保持前兩個時鐘期的輸入 狀態(tài)，若兩者相同，則表示時鐘間隔中無變化；否則，可以根
據(jù)兩者關(guān)系判斷出它的變化方 向，從而產(chǎn)生‘正向’或‘反向’輸出脈沖。當某道由于振動在‘高’、
‘低’間往復(fù)變化 時，將交替產(chǎn)生‘正向’和‘反向’脈沖，這在對兩個計數(shù)器取代數(shù)和時就可消除它
們的影響（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點）。由此可見，時鐘發(fā)生器的頻率應(yīng)大于振動頻率的可能 最大
值。由圖4還可看出，在原一個脈沖信號的周期內(nèi)，得到了四個計數(shù)脈沖。例如，原每圈脈沖數(shù)為1000的
編碼器可產(chǎn)生4倍頻的脈沖數(shù)是4000個，其分辨率為0.09°。實際上 ，目前這類傳感器產(chǎn)品都將光敏元
件輸出信號的放大整形等電路與傳感檢測元件封裝在一起，所以只要加上細分與計數(shù)電路就可以組成一
個角位移測量系統(tǒng)（74159是4-16譯碼器）。
三、應(yīng)用中問題分析及改進措施
（一）應(yīng)用中問題分析
光電檢測裝置的發(fā)射和接收裝置都安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，在使用中暴露出許多缺陷，其有內(nèi)在因素也有外在
因素，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1．發(fā)射裝置或接受裝置因機械震動等原因而引起的移位或偏移，導(dǎo)致
接收裝置不能可靠的接收到光信號，而不能產(chǎn)生電信號。例如；光電編碼器應(yīng)用在軋鋼調(diào)速系統(tǒng)中，因
光電編碼器是直接用螺栓固定在電動機的外殼上，光電編碼器的軸通過較硬的彈簧片和電動機轉(zhuǎn)軸相連
接，因電動機所帶負載是沖擊性負載，當軋機過鋼時會引起電動機轉(zhuǎn)軸和外殼的振動。經(jīng)測定；過鋼時
光電編碼器振動速度為2.6mm/s，這樣的振動速度會損壞光電編碼器的內(nèi)部功能。造成誤發(fā)脈沖，從而導(dǎo)
致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或誤動作，導(dǎo)致事故發(fā)生。
2．因光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，受生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境因素影響導(dǎo)致光電檢測裝置不能可靠的工作。如安
裝部位溫度高、濕度大，導(dǎo)致光電檢測裝置內(nèi)部的電子元件特性改變或損壞。例如在連鑄機送引錠跟蹤
系統(tǒng)，由于光電檢測裝置安裝的位置靠近鑄坯，環(huán)境溫度高而導(dǎo)致光電檢測裝置誤發(fā)出信號或損壞，而
引發(fā)生產(chǎn)或人身事故。
3．生產(chǎn)現(xiàn)場的各種電磁干擾源，對光電檢測裝置產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致光電檢測裝置輸出波形發(fā)生畸變失真
，使系統(tǒng)誤動或引發(fā)生產(chǎn)事故。例如；光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)設(shè)備本體，其信號經(jīng)電纜傳輸至控制系
統(tǒng)的距離一般在20m～100m，傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜，但由于電纜的導(dǎo)線電阻及線間電容
的影響再加上和其他電纜同在一起敷設(shè)，極易受到各種電磁干擾的影響，因此引起波形失真，從而使反
饋到調(diào)速系統(tǒng)的信號與實際值的偏差，而導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。
（二）改進措施
1．改變光電編碼器的安裝方式。光電編碼器不在安裝在電動機外殼上，而是在電動機的基礎(chǔ)上制作一固
定支架來獨立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動機軸中心必須處于同一水平高度，兩軸采用軟橡膠
或尼龍軟管相連接，以減輕電動機沖擊負載對光電編碼器的機械沖擊。采用此方式后經(jīng)測振儀檢測，其
振動速度降至1.2mm/s。
2．合理選擇光電檢測裝置輸出信號傳輸介質(zhì)，采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有
兩個重要的技術(shù)特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強的防護能力，因為空間電磁場在線上產(chǎn)生的
干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個技術(shù)特點是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距
離基本相等，兩線對屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。
3．利用PLC軟件監(jiān)控或干涉。在連鑄生產(chǎn)的送引錠過程要求光電檢測裝置產(chǎn)生有時序性的電信號，同時
，該信號與整個過程不同階段相對應(yīng)。如圖5。
（1）送引錠過程啟動前，光電信號1為“1”。（2）送引錠過程啟動后，在A階段，輥道啟動，引錠桿上
送。當引錠桿擋住光電裝置發(fā)射出的紅外光時，光電信號為“0”；當紅外光透過引錠桿中部2個小圓孔
時，光電裝置發(fā)出信號2和3，均為“1”。（3）送引錠過程在B階段，光電信號為“0”，輥道停下，引
錠桿暫停上送，扇形10段壓下，啟動拉矯機和“同步1”，引錠桿繼續(xù)上送。（4）送引錠過程在C階段，
引錠桿上送，并不再擋住紅外光，光電信號4為“1”，啟動“同步2”，停下“同步1”，引錠桿繼續(xù)上
送。至此光電裝置工作過程結(jié)束。根據(jù)光檢測電裝置的工作過程，只要現(xiàn)場測定送引錠過程中各個光電
信號發(fā)生的時間，結(jié)合送引錠過程與光電信號的關(guān)系，利用PLC應(yīng)用程序中的相關(guān)數(shù)據(jù)，編制符合要求的
PLC程序，將PLC程序輸出信號輸入至PLC的輸入模塊，替代原光電信號的輸入信號。其程序框圖如圖6所
示。