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精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。近10 几年来，发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。光电编码器可以定义为：一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、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。一般来说，根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。由于直线式运动可以借助机械连接转变为旋转式运动，反之亦然。因此，只有在那些结构形式和运动方式都有利于使用直线式光电编码器的场合才予使用。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用，在设计选择了旋转式光电编码器。
（1）增量式编码器
原理及其结构
增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图3.1-5 所示。
图 3.1-5 增量式光电编码器的组成
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码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图3.1-6所示。
图 3.1-6 增量式光电编码器输出的波形
增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。 （2） 绝对式光电编码器 基本构造及特点
用增量式光电编码器有可能由于外界的干扰产生计数错误，并且在停电或故障停车后无法找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对式光电编码器可以避免上述缺点。绝对式光电编码器的基本原理及组成部件与增量式光电编码器基本相同，也是由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。与增量式光电编码器不同的是，绝对式光电编码器用不同的数码来分别指示每个不同的增量位置，它是一种直接输出数字量的传感器。在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，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。绝对式光电编码器原理如图3.1-7 所示。
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图 3.1-7 绝对式光电编码器组成原理
绝对式光电编码器是利用自然二进制、循环二进制（格雷码）、二-十进制等方式进行光电转换的。绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对光电编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。它的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失；编码器的精度取决于位数；最高运转速度比增量式光电编码器高。 码盘码制与码盘
绝对式光电编码器的码盘按照其所用的码制可以分为：二进制码、循环码（格雷码）、十进制码、六十进制码（度、分、秒进制）码盘等。四位二元码盘（二进制、格雷码）如图3.1-8 所示。图中黑、白色分别表示透光、不透光区域。
图3.1-8（a）四位二元码盘 图3.1-8（b）四位循环码盘
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图 3.1-8（a）是一个四位二进制码盘，它的最里圈码道为第一码道，半圈透光半圈不透光，对应于最高位C1，最外圈为第n 码道，共分成2n 个亮暗间隔，对应于最低位Cn，n 位二元二进制马盘的缺点是：每个码道的黑白分界线总有一半与相邻内圈码道的黑白分界线是对齐的，这样就会因黑白分界线刻画不精确造成粗误差。采用其他的有权编码时也存在类似的问题。为了消除这种粗误差，可以采用循环码盘（格雷码盘）。
图 3.1-8（b）是一个四位循环码盘，它与二进制码盘相同的是，码道数也等于数码位数，因此最小分辨率也是式（1-2）求得，最内圈也是半圈透光半圈不透光，对应R1 位，最外圈是第n 码道对于Rn 位。与二进制码盘不同的是：第二码道也是一半透光一半不透光，第i码道分为2i-1个黑白间隔，第i 码道的黑白分界线与第i-1 码道的黑白分界线错开360°/ 2i。循环码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化。只要适当限制各码道的制作误差和安装误差，就不会产生粗误差。由于这一原理，使得循环码盘获得广泛的应用。 （3）混合式光电编码器
混合式光电编码器，就是在增量式光电编码器的基础上，增加了一组用于检测永磁伺服电机磁极位置的码道。它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能另一组则完全同增量式编码器的输出信息。一般来说，在码盘的最外圈刻有高密度的增量式透光缝隙（发2000，2500，3000PPR），中间分布在四圈圆环上有四个二进制四位循环码，每一个四位二进制码对应圆盘1/4 圆角度，即每1/4 圆由四位二进制循环码分割成16 个等分位置。码盘最里圈仍有发一转信号的线条。混合式光电编码器输出的绝对值信息在一定的精度上与磁极的位置具有对应关系。通常它给出相位相差120 度的三相信号，用于控制永磁伺服电机定子三相电流的相位。混合式光电编码器会输出三路波形信号，U（/U）、V（/V）和W（/W）三相脉冲信号彼此相差120 度，每转的脉冲个数与电机的极对数相一致。根据U、V、W 三相脉冲的高低电平关系可以判断电机磁极的当前位置。其过程是：电机启动前，通过U、V、W 三相脉冲的状态估算出电机磁极位置，即当前的角度，一旦电机旋转起来，光电编码器的增量式部分可以精确地检测出位置值。使用U、V、W 信号来判断磁极位置是有误差的。从旋转码盘读出的光电信号经光电放大器和模拟信号多路转换器，送至 A/D 转换器后者实际上是一种细分插值电路，用以获得高分辨率的测量脉冲。服冲数由一大容量的绝对值二进制可逆计数器计数。该计数器由备用电源供电，确保在断电时，也不丢失数据。在第一次安装机床时，对绝对零点进行调整以后，计数器永远不会被清零，所以它的计数代表了机床的绝对位置。内循环码读出的4316 个位
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置／转，代表了一周的粗计角度检测．它和永磁伺服电机四对磁极的结构相对应，可实现对永磁伺服电机的磁场位置的控制。
综上所述，增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90o，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。考虑到本次课题设计的要求及整个设计所采用的计数算法，另外还有电路系统的简单，元件的经济实惠性，本次设计决定采用增量式编码器，选择了SIEMENS公司的1XP8001-1型号，其光电编码器的输出电压为5V。
3.1.4 1XP8001-1简介
该光电编码器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成。光栅面上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；分别用两个光栅面感光。由于两个光栅面具有90°的相位差，因此将该输出输入数字加减计算器，就能测量出位移值。其外观如下：
图 3.1-9 1XP8001-1光电编码器外观
表3.1-3 机械参数 电源电压DC（V） 5±0.5 输出形式 推拉式 推挽式 系统输出 12-PIN 12-PIN
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