光电编码器信号传输的光纤实现

1.引言

光电编码器在现代电机控制系统中常用以检测转轴的位置与速度，是通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的高精度角位置测量传感器。由于其具有分辨率高、响应速度快、体积小等特点，被广泛应用于电机控制系统中。

2.绝对值型光电编码器信号传输的光纤实现

编码器按信号输出形式分为绝对式编码器和增量式编码器。绝对式光电编码器具有输出量可与PLC模块、ARM或FPGA等器件直接接口，无累计误差等优点，但价格高、制造工艺复杂，不宜实现小型化。绝对型编码器有两种类型，单圈和多圈。单圈绝对型编码器旋转一圈后自动回到零；多圈绝对型编码器旋转到编码器最大圈数、最大计数值自动回到零。绝对型编码器一般采用格雷码盘编码。格雷码(GrayCode)在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化。以分辨率24四位二进制码盘为例。若绝对值编码器采用二进制8421码盘，如图1所示，两个顺序的编码之间有一位或一位以上二进制位置改变。例如：两个顺序的二进制码，从0111变到1000，二进制码的所有位都改变它们的状态。在改变状态的过渡时刻得到读数可能是错误的。即位置的同步和采样变得非常困难。

而采用二进制格雷码盘，如图2所示，两个顺序的编码之间，从最后一位码到第一位码，只有一位二进制位置改变，这样使位置的同步和采样变得准确、简单、可行。关于自然二进制码与格雷码之间的换算关系可以参考相关文献。

绝对值编码器信号输出一般有并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出。下面对其输出方式进行简单介绍。

2.1 并行输出

绝对值编码器输出的是多位数码(格雷码或纯二进制码)，并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，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，输出即时，连接简单。但是并行输出有如下问题：

①必须是格雷码，因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。

②所有接口必须确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判断。

③传输距离不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。

④对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。

2.2 同步串行(SSI)输出

串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。SSI接口如RS422模式，以两根数据线、两根时钟线连接，由接收设备向编码器发出中断的时钟脉冲，绝对位置值由编码器与时钟脉冲同步输出至接收设备。由接收设备发出时钟信号触发，编码器开始输出与时钟信号同步的串行信号。串行输出连接线少，传输距离远，提高了编码器的可靠性和保护。一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。

2.3 现场总线型输出(异步串行)

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。

总线型编码器信号遵循R S 4 8 5的物理格式，目前有多种通讯规约，各有优点，还未统一，编码器常用的通讯规约有如下几种：PROFIBUS-DP；CAN；DeviceNet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

其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、14位并行输出等。

针对绝对值编码器的常见输出信号形式即同步串行输出(SSI)，提出采用光纤传输的方法，从而提高编码器信号的抗干扰能力以及施工接线的方便性。工业串口光纤Modem将RS-232/422/485电信号直接调制成光信号在光纤上传输，解决了电磁干扰、地环干扰和雷电破坏的难题，提高了数据通讯的可靠性、安全性和保密性，适合我方对电磁干扰环境有特殊要求的某控制系统。如图3所示，编码器端输出的同步串行RS-422数据信号通过接口变换电路转换为TTL信号，然后经过光电转换器件变换为光信号进行传输。同样，RS-422的时钟同步信号由接收端通过相同的方式进行转换，所不同的是数据信号和时钟同步信号转换后的光波长不相等，然后通过多模光纤来传播。

3.增量式光电编码器信号传输的光纤实现

增量式光电编码器不具有计数和接口电路，价格较低，在实际工程中比较常用。

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4所示。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两个与码盘相对应的透光缝隙，用以通过光源、码盘之间的光线，从而使光电探测器件检测到光信号。A、B各自的透光缝隙和码盘上的透光缝隙相等，但A、B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°电角度。A、B两相相差90°的正交方波脉冲串，代表被测转轴旋转了一定的角度，A、B之间的相位关系则反映了被测转轴的旋转方向，即当A相超前B相90°，转动方向为正转；当B相超前A相90°，转动方向为反转；Z信号是一个代表零位的脉冲信号，可以用以调零、对位和重置计数器。

示意如图5所示：

当码盘随着被测转轴转动时，光源、光栏板与检测光栅均不动，光线透过码盘和检测光栅上的透光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°电角度的近似于正弦波的电信号，正弦波电信号经过比较器，可以得到方波信号。一般增量式编码器的输出方式有电压输出、互补输出、集电极开路输出以及驱动器输出。各种传输方式的电路如图6所示：

由于我方的某控制系统远离编码器的安装处，目前采用了驱动器输出方式，驱动器输出方式能提高信号的抗干扰能力，用与长距离传输。A、B、Z三路脉冲信号分别输入驱动器，经驱动器反相后输出相互正交的脉冲信号(脉冲幅度约3V左右)进行远距离传输，通过检测脉冲数即可知道被测转轴的转角或速度信息。信号如图7所示：

采用三路相互正交的脉冲信号进行长距离传输，目的是为了提高信号的抗干扰能力。但是，一般编码器的输出信号均要求与强电分开传输，而在我方具体的应用系统中，单独铺设编码器信号传输电路存在施工难度，而且增加了线路的复杂性。为此，考虑将编码器输出信号进行光电转换，采用塑料光纤进行传输(塑料光纤作为工业级应用场合，具有柔韧性高、不易磨损等特点)。从而可以将光纤与强电缆在同一线槽中铺设，提高信号传输抗干扰的同时，节省了步线空间并降低了综合成本。针对输出的A、B、Z三相脉冲信号，可以直接将其转换为光信号(如图8所示)，使光电编码器的输出方式统一规划为光信号(电压输出、互补输出、驱动器输出、集电极开路输出均可采用此种方法)，而在接收端通过光纤接收器将光信号转换为电信号(如图9所示)进入相应的处理电路，进行计数等处理。

选用美国安华高科(Avago TECHNOLOGIES)公司的HFBR-1523Z，HFBR-2523Z光纤收发器( 6 6 0纳米)。这组光纤收发器最高传输速率4 0 K B d，工作温度范围0℃~70℃，最大工作电流25mA，光纤采用Ф1塑料光纤。此处需明确波特率和比特率的区别。波特(baud)是指信号大小方向变化的一个波形，编码器输出波特率为1024ps，即每秒传输信号波形变化1024个。一个信号波形可以包含一个或多个二进制位，例如单比特信号的传输速率为9600bit/s，则其波特率为9600baud，它意味着每秒可传输9600个二进制脉冲。

如果信号波形由2个二进制位组成，当传输速率为9600bit/s时，则其波特率只有4800baud.实验中选择光纤收发器的通信速率为40Kbps时，HFBR-1523Z(发射)，HFBR-2523Z(接收)光纤收发器可以满足要求。图10所示为从示波器上捕获的波形。检测发射器HFBR-1523Z的输入DATE，波形如上面方波所示，经过电光转换，然后通过塑料光纤传输，在接受器HFBR-2523Z的1引脚上检测到的一帧接收号波形(下面)，实现了编码器脉冲信号的光纤传输。

4.结论

综上所述，采用光纤接口电路，输入和输出光信号能满足要求的通讯速率，实现了编码器输出信号的光纤传输。使用光纤作为传输介质，编码器端与控制系统间有良好的电气隔离，也避免了电机启动、运转时产生的强电磁场环境对编码器弱点脉冲信号传输的影响。