光电旋转编码器在自动化生产线的应用

黄素群等：光电旋转编码器在自动化生产线的应用

总第６９期

文章编号：１００６－６２６８（２００６）１１－００６３－０３

光电旋转编码器在自动化生产线的应用

黄素群，徐宏利，刘从军

（北京强度环境研究所，北京１０００７６）

摘要：本文介绍了光电旋转编码器的工作原理及信号输出形式，并列举在自动化生产线应用。ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ；可编程控制器关键词：旋转编码器；ＴＮ２７中图分类号：

文献标识码：Ｂ

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１光电旋转编码器的工作原理

光电旋转编码器是一种集光、机、电于一体的角

度检测装置，由安装在转轴上的光栅码盘和光电检测装置组成。光栅码盘的转轴与被测转轴同轴，被测转轴旋转时，光栅码盘与其同步旋转，经电子元件组成的检测装置利用光电转换原理将旋转位置和方向转换成相应的信号，其原理如图１所示。为判断旋转方向，码盘需提供相位相差９０ｏ电角度的两路方波信号。

收稿日期：２００６－０９－１５

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图１

编码器工作原理

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按光栅码盘刻度方法及信号输出形式，编码器可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

１．１增量式编码器

增量式编码器输出Ａ、Ｂ相两路方波和Ｚ相脉

Ａ、Ｂ相两路方波相位差９０ｏ电角度，从而可方便冲；

地判断出旋转方向，而Ｚ相为每转一个脉冲的零位脉冲，作为零位参考点、用于基准点定位。增量型编码器存在零点累积误差，抗干扰较差，使用是需要断电记忆及开机回零位参考点等操作。

图４绝对式编码器码盘

扇区数目是双倍关系。这种编码器的特点是不要累积计数器，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。绝对编码器每个位置变化都产生一个固定的代码。绝对型旋转编码器具有断电记忆功能，即断电后再上电，显示的代码不变，无需再重新寻找＂参考点＂。

２

图２增量式编码器码盘

编码器信号输出形式

编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型

输出、变送一体型输出等输出形式。

２．１并行输出

对于绝对编码器，信号并行输出是时间上数据

同时发出；空间上，每个位数的数据各占用一根线缆。对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入ＰＬＣ或上位机的Ｉ／Ｏ接口。

图

３

编码器产生的方波

输出即时，连接简单。对于位数较多的绝对编码器，有许多芯电缆，由此带来工程难度和诸多不便、降低了可靠性。因此，绝对编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出。

１．２绝对式编码器

绝对编码器在每个可分辨的位置直接输出按一

定规律编码的数字量，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每一码道代表二进制数码的一位，码道由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的

２．２串行输出

串行输出是时间上数据按照约定，有先后输出；

空间上，所有位数的数据都在一组电缆上（先后）发

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出。这种约定称为＂通讯协议＂，其连接的物理形式有ＲＳ２３２、ＲＳ４２２（ＴＴＬ）、ＲＳ４８５等。串行输出连接线少，传输距离远，可靠性就大大提高了，但传输速度比并行输出慢。

输出信号是由内部数字量直接计算，快速、准确。

但存在着以下缺陷：

・由于编码器信号是以点对点的方式引进专用设备，电缆线数目多、接线繁琐。

・控制点数多时占用ＰＬＣ的硬件资源多。ａ）Ｐｒｏｆｉｂｕｓ＿ＤＰ总线连接方式

进入二十一世纪随着工控技术的不断发展、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ现场总线控制技术的广泛应用，我们也将编码器控制方式更新为Ｐｒｏｆｉｂｕｓ＿ＤＰ总线连接方式。编码器在生产线中的工作原理如下：

编码器由Ｐｒｏｆｉｂｕｓ＿ＤＰ总线连接方式接入，ＰＬＣ读取编码器的信号进行计算、容错等处理，每个编码器产生多达二十四个（理论上讲是没有数量限制、依据所需控制执行机构的数量而定）不同时序的方波、此方波仅作为ＰＬＣ的中间变量。ＰＬＣ按照方波产生不同时序的输出信号，控制执行机构动作。

在生产线中的不同工位安装了多个编码器。由于这几个工位与主电机带动的主传动轴有不同的机械传动比，那么这几个编码器的转速比也是不同的。ＰＬＣ通过读取几个编码器的角度值就可知道生产线各机械机构所处的位置，控制执行机构协调动作。

由于编码器采用Ｐｒｏｆｉｂｕｓ＿ＤＰ总线及触摸屏给自动化生产线带来的好处有：

・采用Ｐｒｏｆｉｂｕｓ＿ＤＰ总线方式使编码器信号连线简化；

・编码器的显示及设置由触摸屏完成，操作方便直观；

・ＰＬＣ产生的方波信号是ＰＬＣ中间变量，不占用ＰＬＣ的输出通道大大节省了硬件资源；

・ＰＬＣ读取每个编码器信号而产生的方波个数、时序可通过触摸屏任意设置，控制方便灵活；

・可智能化多项设定，如设定方向、起始零点；・ＰＬＣ按照方波产生不同时序的输出信号可替换原机械凸轮开关组，极大地简化自动化生产线的机械结构。

・编码器的信号可通过Ｐｒｏｆｉｂｕｓ＿ＤＰ总线方式输入上位机，进行远端显示，通用性强。

（下转第８０页）

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２．３现场总线型输出

现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号

线连接在一起，通过设定地址，用通讯方式传输信号。信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号。常用总线型编码器有ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ、ＣＡＮ、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ、Ｉｎｔｅｒｂｕｓ等。总线型编码器可以节省连接线缆、接收设备接口，传输距离远，在多个编码器集中控制的情况下还可以大大节省成本。

２．４变送一体型输出

信号已经在编码器内换算后直接变送输出，其

有模拟量４－２０ｍＡ输出、ＲＳ４８５数字输出、ＵＳＢ输出、１４位并行输出。

３编码器自动化生产线中应用的发展

我们研制的自动化生产线是以可编程逻辑控制

器（ＰＬＣ）为基础的控制系统，其中采用了多个绝对值式编码器作位置检测。

３．１点点连接

在９０年代初期，根据我国当时电器设备的发展

水平及生产线的控制要求，我们设计了专用绝对值旋转编码器信号转换、显示的设备。编码器信号采用点对点的连接方式进入转换设备，再由转换设备进行内部解码、计算、显示、信号转换输出至ＰＬＣ。

其优点如下：

硬件结・设备是以８０３１为ＣＰＵ的单片机系统，构简单、紧凑。

・现场有直观的ＬＥＤ显示，在设备上直接通过键盘设置参数。

・专用程序读码解码、容错、内部计算，可以大大减少各个项目的编程工作量，提高稳定性和可靠性。

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业的发展提供了前所未有的机遇和巨大支持。国家已经在＂十一五＂规划中将ＬＥＤ照明列入重点发展项目，这将加速我国ＬＥＤ产业的发展。希望ＬＥＤ业界的同仁和朋友们携起手来，共同努力，共同奋斗，为早日赶上世界先进水平，为我国ＬＥＤ产业的成长壮大做出新的贡献。

了很多建议，包括协会名称变更，大家一致同意协会名称在原名称后括号标注＂中国ＬＥＤ协会＂。

第五届第五次理事会通过４家新入会单位：华刚光电集团有限公司、厦门乾照光电有限公司、北京通美晶体技术有限公司、广州市鸿利光电子有限公司。同时理事会研究提出：对长期不参加协会活动、两年不交纳会费的单位，取消会员资格，对长期不参加协会活动的咨询专家进行适当调整。

理事会初步确定于２００８年９月中旬在镇江召开＂第十一届全国ＬＥＤ产业研讨及学术研讨会议＂，会议由江苏稳润光电有限公司和南昌大学承办。并于明年上半年在杭州召开第六次理事会，讨论第十理事一届全国ＬＥＤ会议有关问题和协会改选方案，会由杭州远方光电信息有限公司承办。

经大会组委会和学术委员会的努力，以及全体代表的大力支持，使本届大会能顺利召开并圆满结束，大会对２个承办单位和６个协办单位卓有成效的会务工作和付出的辛勤劳动，以及支持单位、赞助单位表示衷心的感谢！

中国光协光电器件分会２００６年１０月８日

二、中国光协光电器件分会第五届第五

次理事会会议

会议期间召开了中国光学光电子行业协会光电器件分会第五届第五次理事会，分会理事长、厦门华联电子有限公司总经理范玉钵先生在会上再次重申第四次理事会有关分会建设的相关问题，全体理事务实性、民主性、单位对于把协会定位于＂群众性、

创新性＂的理念达成一致共识。协会将以制定标准、推行标准作为突破口，搭建测试平台，开展可靠性研究，特别要求做好协会承担的四项半导体照明标准的编制与报批工作。利用协会技术资源，成立各类咨询顾问小组。结合政府和行业自律要求，提供培训、评估、样品比对、检测鉴定，定期发布评价结果。同时在这次理事会上，各理事单位对提高协会知名度提

（上接第６５页）

４小结

如上所述，随着工控技术的不断发展，光电旋转

各种工控场合。参考文献：

［１］童诗白．电子技术基础［Ｍ］．北京：高等教育出版１９８８．社，

［２］高光天．传感器与信号调理器件应用技术［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２．

［３］牟小丽．ＬＥＤ光柱在仪表行业的应用［Ｊ］．现代显２００４，４：６１－６４．示，

［４］陈静，付饶．用单片机＋ＣＰＬＤ实现液晶显示［Ｊ］．现代显示，２００５，４：４７－４９．

作者简介：黄素群（１９６３－），女，北京人，工学学士，１９８７年毕业于北京工业大学自动控制系，现任职于北京强度环境研究所，高级工程师，主要从事机电一体化设备研制，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｓｑ６３＠ｔｏｍ．ｃｏｍ。

与编码器作为自动化控制中的一种特殊＂传感器＂，工业控制中应用已经相当成熟的接近开关、光电开关等传统定位传感器相比，光电旋转编码器应用显示出突出的优势：

信息化：除了定位，控制室还可知道其具体位置；柔性化：定位点可以在控制室柔性调整，使用方便和安全、寿命长；

多功能化：除了定位，还可以将当前位置远传至上位机，并可换算成运动速度，对电机的应用尤为重要。

经济化：对于多个控制工位，只需一个旋转编码器，降低了安装、维护、损耗成本，使用寿命增长。

因而，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于８０现代显示ＡｄｖａｎｃｅｄＤｉｓｐｌａｙ

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