增量式旋转编码器的简介与应用

摘要：在自动控制系统中，编码器应用越来越广泛，不仅可以实现定位控制，而且能检测出转向及速度等信息。本文从增量式旋转编码器的工作原理、选型及应用三个方面进行阐述，让我们对增量式旋转编码器有一定认识，简述了增量式旋转编码器在PLC控制系统和单片机控制系统中的应用方法，为今后的在控制系统中灵活应用增量式旋转编码器打好基础。

关键词：增量式 编码器 应用

中图分类号：TH724 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0118-02

编码器是一种光电式旋转测量装置，主要应用于工业控制中定位控制，使用时通过联轴器将旋转编码器安装在旋转轴上，构成一个半闭环自动控制系统，编码器可以将被测的角位移量或直线位移量转换成电信号，控制器根据编码器输出的电信号可以实现对运动的方向、位置及速度进行检测控制。

编码器按照其工作原理可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是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，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，根据起始和终止位置信息，可以到位移量。绝对式编码器通过读取输出的数字码可以得到位置信息，其输出线与数字码位数有关，且价格相对较贵，而增量式编码器输出脉冲信号，通过单片机或PLC对脉冲信号进行处理，就能够得到运动的位置、速度等信息，价格相对便宜，应用较为广泛。本文以增量式旋转编码器为例进行说明。

1 增量式旋转编码器的组成及工作原理

典型的增量式光电旋转编码器由码盘、检测光栅、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成，如图1所示。码盘和光栅板上刻有透光缝隙，当码盘随被测转轴旋转时，检测光栅不动，每转过一个缝隙，光线透过码盘和检测光栅上的缝隙照射到光电检测器件上，光电管会感受到一次光线的明暗变化，并将光线的明暗变化转变成近似于正弦波的电信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。

增量式旋转编码器一般有三组信号A相、B相、Z相输出，在检测光栅上刻两组的透光缝隙，彼此错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号（A相、B相）在相位上相差90°。此外，在光電码盘的里圈里还有一条透光缝隙，码盘每转一圈产生一个脉冲（Z相），该脉冲信号称为零标志脉冲，作为测量基准。

当编码器随被测轴正（反）转时，A相、B相、Z相输出的信号如图2、3所示。编码器旋转一圈输出A相或B相脉冲的个数，主要由码盘上的透光缝隙决定。

由图2、3可知，正转时A相超前B相90°，反转时A相超前B相90°，因此可根据A相、B相信号的相位关系测出被测轴的转动方向。另外根据A相或B相脉冲的数目可测出被测轴的角位移，脉冲的频率可测出被测轴的转速。Z相在编码器每转一圈时会产生一个脉冲，可作为被测轴的定位基准信号，也可用来测量被测轴的旋转圈数计数信号。

2 增量式旋转编码器的选用

在选用增量式旋转编码器时，我们主要从分辨率、信号输出形式、工作电压、轴径及外形尺寸等方面考虑。

2.1 分辨率

编码器分辨率可以用线数、每转脉冲数（PPR）等来描述，它表示编码器旋转一圈A相或B相输出脉冲的个数，脉冲数越多精度越高，价格越贵。

2.2 信号输出形式

①集电极开路：集电极开路分为NPN型和PNP型，当编码器与PLC连接时，NPN型应与漏型输入的PLC连接，PNP型应与源型输入的PLC连接；当编码器与单片机连接时，应加上拉电阻（NPN型）或下拉电阻（PNP型）。

②电压输出：在NPN型集电极开路输出的基础上增加了上拉电阻。

③互补对称推挽输出：输出电路由NPN和PNP型两个三极管组成，驱动能力强。

④长线输出驱动：采用专用的线驱动芯片，为每路输出提供一个反向信号（A+/A-、B+/B-、Z+/Z-），信号以差分形式输出，抗干扰能力强，传输距离较远。

2.3 工作电压

工作电压有5V、12V、24V、5—24V等，根据现场需要选用合适的编码器。

2.4 轴径及外形尺寸

根据传动轴、联轴器以及安装环境选择合适轴径和外形尺寸的编码器。

3 增量式旋转编码器在自动控制中的应用

3.1 增量式旋转编码在PLC控制系统中的应用

如图4所示，以三菱FX系列PLC作为控制器，由于编码器输出脉冲频率相对较高，因此需采用PLC内部的高速计数器进行计数，例如我们采用双相输入高速计数器C251，A相脉冲输入到X0，B相脉冲输入到X1，当使转动轴正转时，A相脉冲超前B相脉冲90°，高速计数器C251实现加计数，M8251状态为OFF，当使转动轴反转时， B相脉冲超前A相脉冲90°，高速计数器C251实现减计数，M8251状态为ON。正反转的信息可以通过M8251状态反映出来，位移量可以通过高速计数器的计数值反映出来。

旋转的圈数与输出脉冲之间的关系为：旋转的圈数=输出脉冲数/每圈脉冲数。如果将编码器安装在与电机同轴的丝杆上，丝杠的螺距确定后，我们可以通过运算得出运动的距离（旋转的圈数*丝杠的螺距）。另外利用PLC速度检测指令SPD可以计算出运动的速度。

3.2 增量式旋转编码在单片机控制系统中的应用

如图5所示以AT89S51单片机作为控制器，我们可以将编码器的A相脉冲作为外部中断信号送入单片机的P3.2，B相脉冲作为一个输入信号送入单片机的任意输入口（如P3.0），编码器的检测各个状态利用LCD12864显示出来。

编程时需开放外部中断0，且为下降沿触发，在中断程序中判断P3.0口的信号，根据图2、3可以看出，当A相为下降沿且B相为高电平时，编码器此时为正转，计数变量加1计数；当A相为下降沿且B相为低电平时，编码器此时为反转，计数变量减1计数；由此可以判断出旋转方向以及旋转的圈数。另外为了计算出旋转的速度，可以在计数时开放定时器，计算出一定时间内脉冲的个数，然后根据此值计算出运动的速度。

收稿日期：2016-08-17

作者简介：王小祥（1980—），男，汉族，江苏东台人，工学学士学位，一级实习指导教师，主要从事自动控制方向研究教学。