光电编码器信号传输的光纤实现

　　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。