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增量式光電編碼器原理及其結構
增量式光電編碼器的特點是每產生一個輸出脈沖信號就對應于一個增量位移，但是不能通過輸出脈沖區別出在哪個位置上的增量。它能夠產生與位移增量等值的脈沖信號，其作用是提供一種對連續位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法，它是相對于某個基準點的相對位置增量，不能夠直接檢測出軸的位置信息。一般來說，增量式光電編碼器輸出A、B 兩相互差90°電度角的脈沖信號（即所謂的兩組正交輸出信號），從而可方便地判斷出旋轉方向。同時還有用作參考零位的Z 相標志（指示）脈沖信號，碼盤每旋轉一周，只發出一個標志信號。標志脈沖通常用來指示機械位置或對積累量清零。增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉換電路組成，如圖1-1 所示。碼盤上刻有節距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期；檢測光柵上刻有A、B 兩組與碼盤相對應的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線。它們的節距和碼盤上的節距相等，并且兩組透光縫隙錯開1/4 節距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差90°電度角。當碼盤隨著被測轉軸轉動時，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的透過縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差90°電度角的近似于正弦波的電信號，電信號經過轉換電路的信號處理，可以得到被測軸的轉角或速度信息。增量式光電編碼器輸出信號波形如圖1-2 所示。增量式光電編碼器的優點是：原理構造簡單、易于實現；機械平均壽命長，可達到幾萬小時以上；分辨率高；抗干擾能力較強，信號傳輸距離較長，可靠性較高。其缺點是它無法直接讀出轉動軸的位置信息。
圖 1-2 增量式光電編碼器的輸出信號波形
1.2.2基本技術規格
在增量式光電編碼器的使用過程中，對于其技術規格通常會提出不同的要求，其中關鍵的就是它的分辨率、精度、輸出信號的穩定性、響應頻率、信號輸出形式。
（1）分辨率
光電編碼器的分辨率是以編碼器軸轉動一周所產生的輸出信號基本周期數來表示的，即脈沖數/轉（PPR）。碼盤上的透光縫隙的數目就等于編碼器的分辨率，碼盤上刻的縫隙越多，編碼器的分辨率就越高。在工業電氣傳動中，根據不同的應用對象，可選擇分辨率通常在500~6000PPR 的增量式光電編碼器，高可以達到幾萬PPR。交流伺服電機控制系統中通常選用分辨率為2500PPR 的編碼器。此外對光電轉換信號進行邏輯處理，可以得到2 倍頻或4 倍頻的脈沖信號，從而進一步提高分辨率。
（2）精度
增量式光電編碼器的精度與分辨率*無關，這是兩個不同的概念。精度是一種度量在所選定的分辨率范圍內，確定任一脈沖相對另一脈沖位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒來表示。編碼器的精度與碼盤透光縫隙的加工質量、碼盤的機械旋轉情況的制造精度因素有關，也與安裝技術有關。
（3）輸出信號的穩定性
編碼器輸出信號的穩定性是指在實際運行條件下，保持規定精度的能力。影響編碼器輸出信號穩定性的主要因素是溫度對電子器件造成的漂移、外界加于編碼器的變形力以及光源特性的變化。由于受到溫度和電源變化的影響，編碼器的電子電路不能保持規定的輸出特性，在設計和使用中都要給予充分考慮。
（4）響應頻率
編碼器輸出的響應頻率取決于光電檢測器件、電子處理線路的響應速度。當編碼器高速旋轉時，如果其分辨率很高，那么編碼器輸出的信號頻率將會很高。如果光電檢測器件和電子線路元器件的工作速度與之不能相適應，就有可能使輸出波形嚴重畸變，甚至產生丟失脈沖的現象。這樣輸出信號就不能準確反映軸的位置信息。所以，每一種編碼器在其分辨率一定的情況下，它的高轉速也是一定的，即它的響應頻率是受限制的。編碼器的大響應頻率、分辨率和高轉速之間的關系如公式（1-1）所示。
（5）信號輸出形式
在大多數情況下，直接從編碼器的光電檢測器件獲取的信號電平較低，波形也不規則，還不能適應于控制、信號處理和遠距離傳輸的要求。所以，在編碼器內還必須將此信號放大、整形。經過處理的輸出信號一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波輸出信號容易進行數字處理，所以這種輸出信號在定位控制中得到廣泛的應用。采用正弦波輸出信號時基本消除了定位停止時的振蕩現象，并且容易通過電子內插方法，以較低的成本得到較高的分辨率。增量式光電編碼器的信號輸出形式有：集電極開路輸出（Open Collector）、電壓輸出（VoltageOutput）、線驅動輸出（Line Driver）、互補型輸出（Complemental Output）和推挽
式輸出（Totem Pole）。集電極開路輸出這種輸出方式通過使用編碼器輸出側的NPN 晶體管，將晶體管的發射極引出端子連接至0V，斷開集電極與+Vcc 的端子并把集電極作為輸出端。在編碼器供電電壓和信號接受裝置的電壓不一致的情況下，建議使用這種類型的輸出電路。輸出電路如圖1-3 所示。主要應用領域有電梯、紡織機械、注油機、自動化設備、切割機械、印刷機械、包裝機械和針織機械等。
圖 1-3 集電極開路輸出電路
電壓輸出 這種輸出方式通過使用編碼器輸出側的 NPN 晶體管，將晶體管的發射極引出端子連接至0V，集電子與+Vcc 和負載電阻相連，并作為輸出端。在編碼器供電電壓和信號接受裝置的電壓一致的情況下，建議使用這種類型的輸出電路。輸出電路如圖1-4 所示。主要應用領域有電梯、紡織機械、注油機、自動化設備、切割機械、印刷機械、包裝機械和針織機械等。
圖 1-4 電壓輸出電路
線驅動輸出這種輸出方式將線驅動IC 芯片（26LS31）用于編碼器輸出電路，由于它具有高速響應和良好的抗噪聲性能，使得線驅動輸出適宜長距離傳輸。輸出電路如圖1-5 所示。主要應用領域有伺服電機、機器人、數控加工機械等。
圖 1-5 線驅動輸出電路
互補型輸出這種輸出方式由上下兩個分別為PNP 型和NPN 型的三極管組成，當其中一個三極管導通時，另外一個三極管則關斷。這種輸出形式具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此在低阻抗情況下它也可以提供大范圍的電源。由于輸入、輸出信號相位相同且頻率范圍寬，因此它適合長距離傳輸。輸出電路如圖1-6 所示。主要應用于電梯領域或領域。
圖 1-6 互補型輸出電路
推挽式輸出這種輸出方式由上下兩個 NPN 型的三極管組成，當其中一個三極管導通時，另外一個三極管則關斷。電流通過輸出側的兩個晶體管向兩個方向流入，并始終輸出電流。因此它阻抗低，而且不太受噪聲和變形波的影響。輸出電路如圖1-7 所示。主要應用領域有電梯、紡織機械、注油機、自動化設備、切割機械、印刷機械、包裝機械和針織機械等。
圖 1-7 推挽式輸出電路
庫伯勒增量型光電編碼器型號
2400
2420
2430
2440
Sendix Base KIS40
5824
Sendix Base KIH40
Sendix 5814
3610
Sendix 5834
5814FS2
3620
5834FS2
3700
5814FS3
5834FS3
3720
5805
5825
Sendix 5006
Sendix 5000
Sendix 5026
Sendix 5020
Sendix 7000
Sendix Base KIS50
Sendix 7020
7014FS2
Sendix Base KIH50
7014FS3
5803
Sendix 7100
Sendix 7120
5823
5804
5821
A020
A02H
H100
H120
H100
H100, 帶有機械超速開關
