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步进电机转速和步数检测设计

方案一：利用光电开关

1、原理介绍
光电开关(光电传感器)是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的
遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所
有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号
射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理
如图所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。

加调制信号的发射管

调制器整流稳压接电源

（a）发射器

整流稳压接电源
光电三极管

负载
解调器时钟逻辑

（b）接收器

图3-2光电开关工作原理图

2、术语解释

（1）检测距离：是指检测体按一定方式移动，当开关动作时测得的基准位
置(光电开关的感应表面)到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距
离的标称值。
（2）回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。
（3）响应频率：在规定的1s的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。
（4）输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接
通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，
晶体管导通，负载得电工作。
（5）检测方式：根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到
接收器的途径的不同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。
（6）输出形式：分NPN二线、NPN三线、NPN四线、PNP二线、PNP三
线、PNP四线、AC二线、AC五线(自带继电器)，及直流NPN／PNP／常开／常
闭多功能等几种常用的输出形式。
（7）表面反射率：漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反
射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受
器接收到光线的强度。粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的
强度，而且，被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。
（8）环境特性：光电开关应用的环境亦会影响其长期工作可靠性。当光电
开关工作于最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至
会被一些强酸性物质腐蚀，以至其使用参数和可靠性降低。较简便的解决方法就
是根据光电开关的最大检测距离(Sn)降额使用来确定最佳工作距离。

方案二：采用光电编码器

检测系统的示意图如图所示。在系统运行时，为了能够测量运行的速度和步
数，采用光电编码器来进行电动机转速和步数的检测。

步进电机光电编码器整形放大单片机显示

图3-3检测系统的示意图

1、光电编码器的工作原理
光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字检测装置。作为一次光电传感
检测元件的光电编码器，具有精度高、响应快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等
显著的优点，它通常用于角位移和线位移的测量系统中，如：机器人的关节，天
文望远镜等机械设备的转角和倾角，自控机床的刀具，高精度闭环调速系统等诸
多领域。如果加设机械变换装置，旋转式光电编码器也可以用于测量深度、行程
等直线位移。它在控制系统的位置反馈测量及传动误差的比较测量方面也发挥着
越来越大的作用。国内由中科院长春光机所率先进行光电轴角编码器的研制，现
已有增量式和绝对式数十种型号的产品长春光机所在80年代末就能生产23位绝
对式光电轴角编码器。其中意大利伽俐略望远镜控制系统使用的就是国外
Heidenhain公司特别为其设计并制作的27位增量式光电轴角编码器。
光电编码器的种类有很多．按机械结构形式可分为直线式和旋转式，前者如
光栅尺可用在自拄机图1光电编码器结构原理床刀具等线位移的测量系统中，后
者是用于角位移测量的最有效和最直接的数字传感器，广泛用来测量转速，在多
数关节式机器人中用它作为角度传感器。典型的光电编码器结构由轴系．光栅付，
光源及光电接收和转换元件组成。当与主轴相连的主光栅(即码盘)随主轴一起旋
转时，和指示光栅相重叠形成奠尔条纹，通过光电转换后输出与转角相对应的光
电位移信号．经过电子学处理，并与计算机和显示装置连接后，便可实现角位置
的实时控制与测量。
光电编码器由光源、转盘、遮光板和光敏元件等组成，当光电编码器的转轴
与电动机的转轴连接后，转盘与电机转速相同。每当转盘窄缝经过光源与光敏元
件之间的空间时，光敏元件就受到照射产生光信号，将光信号转换为电信号，经
整形等电路的转换后变成脉冲信号，如图3-4所示。通过计量脉冲的数目，即可
测出工作轴的转角，通过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速，并通过
数显装置进行显示。

（a）光敏元件

输出波形

t

（b）整形后
波形

t

（c）输出脉冲
信号

t

图3-4光电编码器的信号变换图
在本系统中选用光电编码器ISC3004，性能如下所示：
外径￠30，止