1.引言

光電編碼器在現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)中常用以檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的位置與速度，是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的高精度角位置測(cè)量傳感器。由于其具有分辨率高、響應(yīng)速度快、體積小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制系統(tǒng)中。

2.絕對(duì)值型光電編碼器信號(hào)傳輸的光纖實(shí)現(xiàn)

編碼器按信號(hào)輸出形式分為絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器。絕對(duì)式光電編碼器具有輸出量可與PLC模塊、ARM或FPGA等器件直接接口，無累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格高、制造工藝復(fù)雜，不宜實(shí)現(xiàn)小型化。絕對(duì)型編碼器有兩種類型，單圈和多圈。單圈絕對(duì)型編碼器旋轉(zhuǎn)一圈后自動(dòng)回到零;多圈絕對(duì)型編碼器旋轉(zhuǎn)到編碼器最大圈數(shù)、最大計(jì)數(shù)值自動(dòng)回到零。絕對(duì)型編碼器一般采用格雷碼盤編碼。格雷碼(GrayCode)在任意兩個(gè)相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，只有一個(gè)數(shù)位發(fā)生變化。以分辨率24四位二進(jìn)制碼盤為例。若絕對(duì)值編碼器采用二進(jìn)制8421碼盤，如圖1所示，兩個(gè)順序的編碼之間有一位或一位以上二進(jìn)制位置改變。例如：兩個(gè)順序的二進(jìn)制碼，從0111變到1000,二進(jìn)制碼的所有位都改變它們的狀態(tài)。在改變狀態(tài)的過渡時(shí)刻得到讀數(shù)可能是錯(cuò)誤的。即位置的同步和采樣變得非常困難。

而采用二進(jìn)制格雷碼盤，如圖2所示，兩個(gè)順序的編碼之間，從最后一位碼到第一位碼，只有一位二進(jìn)制位置改變，這樣使位置的同步和采樣變得準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、可行。關(guān)于自然二進(jìn)制碼與格雷碼之間的換算關(guān)系可以參考相關(guān)文獻(xiàn)。

絕對(duì)值編碼器信號(hào)輸出一般有并行輸出、串行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出。下面對(duì)其輸出方式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1 并行輸出

絕對(duì)值編碼器輸出的是多位數(shù)碼(格雷碼或純二進(jìn)制碼)，并行輸出就是在接口上有多點(diǎn)高低電平輸出，以代表數(shù)碼的1或0,對(duì)于位數(shù)不高的絕對(duì)編碼器，一般就直接以此形式輸出數(shù)碼，可直接進(jìn)入PLC或上位機(jī)的I/O接口，輸出即時(shí)，連接簡(jiǎn)單。但是并行輸出有如下問題：

①必須是格雷碼，因?yàn)槿缡羌兌M(jìn)制碼，在數(shù)據(jù)刷新時(shí)可能有多位變化，讀數(shù)會(huì)在短時(shí)間里造成錯(cuò)碼。

②所有接口必須確保連接好，因?yàn)槿缬袀€(gè)別連接不良點(diǎn)，該點(diǎn)電位始終是0,造成錯(cuò)碼而無法判斷。

③傳輸距離不能遠(yuǎn)，一般在一兩米，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境，最好有隔離。

④對(duì)于位數(shù)較多，要許多芯電纜，并要確保連接優(yōu)良，由此帶來工程難度，同樣，對(duì)于編碼器，要同時(shí)有許多節(jié)點(diǎn)輸出，增加編碼器的故障損壞率。

2.2 同步串行(SSI)輸出

串行輸出就是通過約定，在時(shí)間上有先后的數(shù)據(jù)輸出，其連接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。SSI接口如RS422模式，以兩根數(shù)據(jù)線、兩根時(shí)鐘線連接，由接收設(shè)備向編碼器發(fā)出中斷的時(shí)鐘脈沖，絕對(duì)位置值由編碼器與時(shí)鐘脈沖同步輸出至接收設(shè)備。由接收設(shè)備發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)，編碼器開始輸出與時(shí)鐘信號(hào)同步的串行信號(hào)。串行輸出連接線少，傳輸距離遠(yuǎn)，提高了編碼器的可靠性和保護(hù)。一般高位數(shù)的絕對(duì)編碼器都是用串行輸出的。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線型輸出(異步串行)

現(xiàn)場(chǎng)總線型編碼器是多個(gè)編碼器各以一對(duì)信號(hào)線連接在一起，通過設(shè)定地址，用通訊方式傳輸信號(hào)，信號(hào)的接收設(shè)備只需一個(gè)接口，就可以讀多個(gè)編碼器信號(hào)。

總線型編碼器信號(hào)遵循R S 4 8 5的物理格式，目前有多種通訊規(guī)約，各有優(yōu)點(diǎn)，還未統(tǒng)一，編碼器常用的通訊規(guī)約有如下幾種：PROFIBUS-DP;CAN;DeviceNet等。

總線型編碼器可以節(jié)省連接線纜、接收設(shè)備接口，傳輸距離遠(yuǎn)，在多個(gè)編碼器集中控制的情況下還可以大大節(jié)省成本。

2.4 變送一體型輸出

其信號(hào)已經(jīng)在編碼器內(nèi)換算后直接變送輸出，其有模擬量4-20mA輸出、RS485數(shù)字輸出、14位并行輸出等。

針對(duì)絕對(duì)值編碼器的常見輸出信號(hào)形式即同步串行輸出(SSI)，提出采用光纖傳輸?shù)姆椒?，從而提高編碼器信號(hào)的抗干擾能力以及施工接線的方便性。工業(yè)串口光纖Modem將RS-232/422/485電信號(hào)直接調(diào)制成光信號(hào)在光纖上傳輸，解決了電磁干擾、地環(huán)干擾和雷電破壞的難題，提高了數(shù)據(jù)通訊的可靠性、安全性和保密性，適合我方對(duì)電磁干擾環(huán)境有特殊要求的某控制系統(tǒng)。如圖3所示，編碼器端輸出的同步串行RS-422數(shù)據(jù)信號(hào)通過接口變換電路轉(zhuǎn)換為TTL信號(hào)，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器件變換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸。同樣，RS-422的時(shí)鐘同步信號(hào)由接收端通過相同的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所不同的是數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘同步信號(hào)轉(zhuǎn)換后的光波長(zhǎng)不相等，然后通過多模光纖來傳播。

3.增量式光電編碼器信號(hào)傳輸?shù)墓饫w實(shí)現(xiàn)

增量式光電編碼器不具有計(jì)數(shù)和接口電路，價(jià)格較低，在實(shí)際工程中比較常用。

增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成。如圖4所示。碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期;檢測(cè)光柵上刻有A、B兩個(gè)與碼盤相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過光源、碼盤之間的光線，從而使光電探測(cè)器件檢測(cè)到光信號(hào)。A、B各自的透光縫隙和碼盤上的透光縫隙相等，但A、B兩組透光縫隙錯(cuò)開1/4節(jié)距，使得光電檢測(cè)器件輸出的信號(hào)在相位上相差90°電角度。A、B兩相相差90°的正交方波脈沖串，代表被測(cè)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)了一定的角度，A、B之間的相位關(guān)系則反映了被測(cè)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向，即當(dāng)A相超前B相90°，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎D(zhuǎn);當(dāng)B相超前A相90°，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)榉崔D(zhuǎn);Z信號(hào)是一個(gè)代表零位的脈沖信號(hào)，可以用以調(diào)零、對(duì)位和重置計(jì)數(shù)器。[!--empirenews.page--]

示意如圖5所示：

當(dāng)碼盤隨著被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光源、光欄板與檢測(cè)光柵均不動(dòng)，光線透過碼盤和檢測(cè)光柵上的透光縫隙照射到光電檢測(cè)器件上，光電檢測(cè)器件就輸出兩組相位相差90°電角度的近似于正弦波的電信號(hào)，正弦波電信號(hào)經(jīng)過比較器，可以得到方波信號(hào)。一般增量式編碼器的輸出方式有電壓輸出、互補(bǔ)輸出、集電極開路輸出以及驅(qū)動(dòng)器輸出。各種傳輸方式的電路如圖6所示：

由于我方的某控制系統(tǒng)遠(yuǎn)離編碼器的安裝處，目前采用了驅(qū)動(dòng)器輸出方式，驅(qū)動(dòng)器輸出方式能提高信號(hào)的抗干擾能力，用與長(zhǎng)距離傳輸。A、B、Z三路脈沖信號(hào)分別輸入驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器反相后輸出相互正交的脈沖信號(hào)(脈沖幅度約3V左右)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，通過檢測(cè)脈沖數(shù)即可知道被測(cè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。信號(hào)如圖7所示：

采用三路相互正交的脈沖信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，目的是為了提高信號(hào)的抗干擾能力。但是，一般編碼器的輸出信號(hào)均要求與強(qiáng)電分開傳輸，而在我方具體的應(yīng)用系統(tǒng)中，單獨(dú)鋪設(shè)編碼器信號(hào)傳輸電路存在施工難度，而且增加了線路的復(fù)雜性。為此，考慮將編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，采用塑料光纖進(jìn)行傳輸(塑料光纖作為工業(yè)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)合，具有柔韌性高、不易磨損等特點(diǎn))。從而可以將光纖與強(qiáng)電纜在同一線槽中鋪設(shè)，提高信號(hào)傳輸抗干擾的同時(shí)，節(jié)省了步線空間并降低了綜合成本。針對(duì)輸出的A、B、Z三相脈沖信號(hào)，可以直接將其轉(zhuǎn)換為光信號(hào)(如圖8所示)，使光電編碼器的輸出方式統(tǒng)一規(guī)劃為光信號(hào)(電壓輸出、互補(bǔ)輸出、驅(qū)動(dòng)器輸出、集電極開路輸出均可采用此種方法)，而在接收端通過光纖接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(如圖9所示)進(jìn)入相應(yīng)的處理電路，進(jìn)行計(jì)數(shù)等處理。

選用美國(guó)安華高科(Avago TECHNOLOGIES)公司的HFBR-1523Z,HFBR-2523Z光纖收發(fā)器( 6 6 0納米)。這組光纖收發(fā)器最高傳輸速率4 0 K B d,工作溫度范圍0℃~70℃，最大工作電流25mA,光纖采用Ф1塑料光纖。此處需明確波特率和比特率的區(qū)別。波特(baud)是指信號(hào)大小方向變化的一個(gè)波形，編碼器輸出波特率為1024ps,即每秒傳輸信號(hào)波形變化1024個(gè)。一個(gè)信號(hào)波形可以包含一個(gè)或多個(gè)二進(jìn)制位，例如單比特信號(hào)的傳輸速率為9600bit/s,則其波特率為9600baud,它意味著每秒可傳輸9600個(gè)二進(jìn)制脈沖。

如果信號(hào)波形由2個(gè)二進(jìn)制位組成，當(dāng)傳輸速率為9600bit/s時(shí)，則其波特率只有4800baud.實(shí)驗(yàn)中選擇光纖收發(fā)器的通信速率為40Kbps時(shí)，HFBR-1523Z(發(fā)射)，HFBR-2523Z(接收)光纖收發(fā)器可以滿足要求。圖10所示為從示波器上捕獲的波形。檢測(cè)發(fā)射器HFBR-1523Z的輸入DATE,波形如上面方波所示，經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換，然后通過塑料光纖傳輸，在接受器HFBR-2523Z的1引腳上檢測(cè)到的一幀接收號(hào)波形(下面)，實(shí)現(xiàn)了編碼器脈沖信號(hào)的光纖傳輸。

4.結(jié)論

綜上所述，采用光纖接口電路，輸入和輸出光信號(hào)能滿足要求的通訊速率，實(shí)現(xiàn)了編碼器輸出信號(hào)的光纖傳輸。使用光纖作為傳輸介質(zhì)，編碼器端與控制系統(tǒng)間有良好的電氣隔離，也避免了電機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)編碼器弱點(diǎn)脈沖信號(hào)傳輸的影響。