光學編碼器設計

盤與馬達同速旋轉，經過發光二極體與光電晶體等電子元件組成的檢測裝置，而 發射光在透過柵孔檢測接收，然後輸出若干脈衝信號；經過計算後光學編碼器每 秒輸出脈衝的個數就能反映出當前馬達的轉速；其原理示意圖，如圖2.7 所示。此 外，為了判斷馬達旋轉方向(正/反轉)，圓轉盤上還刻有兩排相位相差 90 度的 Ａ 與 Ｂ 前後的柵孔作為相位差辨識。

當圓轉盤上的柵孔與 LED 光源對正時，透過的光線強度如果較強，即可使 光電晶體進入飽和狀態，於是在輸出端即可產生脈波的電性訊號。假設圓轉盤中 的柵孔等距排列，其透光的部份和不透光的部份應該呈現50% 對50% 的比例；當 圓轉盤轉動時，光電晶體端就可以偵測到脈波的訊號，偵測到脈波的頻率，即是 相對應於圓轉盤的轉動頻率，也就是轉速。而偵測到脈波的個數即對應於圓轉盤 轉過的柵孔數，也就是轉動的相對角度。

一般光學編碼器以硬體型態分類的話，大致上可分為三種，分別為絕對型、

增量型與混合型。(1)增量型：將指示刻度組合後即可獲得正弦脈波輸出，同時進 行變位量量測。其圓轉盤為等間距的柵孔及基準柵孔，每轉一個脈衝(柵孔)，都是 用於基準點定位。其優點是原理構造簡單易於製造，機械平均壽命可在幾萬小時

圖2.7  光學編碼器之原理  轉軸

0 t

V(t)

脈波輸出 光電晶體偵測

發光二極體 透明 區段

轉盤

不透明 區段

電壓

時間

以上，價格便宜，零點(原點)可設定任意的角度位置。在圓轉盤的柵孔上，有著等 距的間隙，在檢出間隙亦有相同間隔的間隙，兩側配置有光源、透鏡、光偵測器 元件以檢測信號。增量型計數的方式是可在任何點設立原點，然後再以數位的方 式表示從該原點算起之位移或角度之變化量。因此增量型之編碼器當中切斷電源 訊號時，是不能恢復原來的數值的，這大概是唯一的缺點吧。

(2)絕對型：最常見之圓轉盤編碼器就是屬於絕對型，它是用數位編碼的方式 來表示從原點為起始的變化位量，亦即在刻度尺刻上尺度記號，當刻度尺停止移 動後，用讀取符號測訂刻度的位置。

絕對型編碼器是直接輸出數字量的感測器，在它的圓轉盤上的圖形孔有若干 同心孔道，每條孔道上由透光和不透光的扇形圖區相間組成，相鄰孔道的扇形圖 區數目是雙倍關係，圓轉盤上的孔道數就是它的二進制數碼的位數，在圓轉盤的 一側是光源，另一側對應每一孔道有一光耦合元件；當圓轉盤處於不同位置時，

各光耦合元件根據受光照與否轉換出相對應的電位訊號，形成二進制數。這種編 碼器的特點是不要計數電路，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對 應的數字碼。顯然，孔道越多，分辨率就越高，對於一個具有若干個二進制分辨 率的編碼器，其圓轉盤必須有若干個孔道。目前國內已有16 位數的絕對型編碼器 產品。絕對型編碼器是利用自然二進制或循環二進制(葛萊碼)的方式進行光電轉換 的。

絕對型編碼器與增量型編碼器最大不同之處在於圓轉盤上的透光與不透光的 線條圖形，絕對型編碼器可有若干編碼，根據讀出圓轉盤上的訊號編碼，檢測出 絕對位置。編碼的設計可採用二進制碼、循環碼、二進制補碼等。它的特點是可 以直接讀出角度坐標的絕對值且沒有累積誤差，但是分辨率是由二進制的位數來

決定的，也就是說其精確度取決於位數，目前有10 位、14 位等多種。絕對型編碼 器之優點是讀取座標值，計數不會產生累積誤差，高速旋轉時不必考慮光偵測器 及電路之響應時間，可靠性高；此外，因為機械的晃動或振動所造成的不穩現象、

開關等承受到的電氣干擾等，也不會因而中斷之影響，啟動時也不需要調整；因 此，穩定性也很高，而且，在高速旋轉下無法讀取訊號時、再降低旋轉速度或因 停電等而斷電後再打開電源時，仍然可以讀取正確的旋轉角度，適合於長距離傳 輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息，還有價格高昂，如欲提高解析能 力，外徑也須相對的增加變大，光偵測器數量也須增加，自然成本也就會跟著提 高許多。(3)混合型絕對值編碼器，它會輸出兩組訊息：一組訊息用於檢測磁極位 置，帶有絕對訊息的功能；另一組則完全同增量型編碼器的輸出訊息。

光學編碼器在做雙向的量測時，主要是利用它來分辨圓轉盤的正/反轉運動。

在做法上是利用在受感測端裝上第二組的光電晶體，將原來的孔距定義成360 度，

並且讓兩者的排列相位相差成 90 度。當圓轉盤轉動時，就會造成相位相差 90 度 的兩個脈波訊號，其中A 脈波與 B 脈波兩個訊號為互成 90 度相位差的脈波，且其 相位之超前或落後與正/反轉有關，當光學編碼器做正轉量測時，A 脈波訊號將超 前B 脈波訊號 90 度，如圖 2.8 所示；當光學編碼器做反轉量測時，A 脈波訊號將 落後B 脈波訊號 90 度，如圖 2.9 所示。經由上述光學編碼器之偵測編碼後產生出 兩個相位相差90 度的 A 與 B 兩脈波訊號，此訊號將被送入解碼電路中，利用計數 電路來計算上下兩個的脈波數，使 FPGA 晶片可以得知目前馬達的角度位置來進 行控制器的設計。

轉 動 速 度 較 慢 時 轉 動 速 度 較 快 時 A 脈 波

B 脈 波

轉 動 速 度 較 慢 時 轉 動 速 度 較 快 時

A 脈 波

B 脈 波

轉 動 速 度 較 慢 時 轉 動 速 度 較 快 時

A 脈 波 B 脈 波

轉 動 速 度 較 慢 時 轉 動 速 度 較 快 時

A 脈 波 B 脈 波

相位差 90 度

原點 1 間隔/360 度

圖2.8 光學編碼器做正轉運動時量測訊號 

圖2.9 光學編碼器做反轉運動時量測訊號