1、* 第 42卷 第 1期2011年 1月太 原 理 工 大 學 學 報JOU R NA L OF T A IY U A N U N IV ERSIT Y OF T ECHN O LO GYV ol. 42N o. 1 Jan. 2011文章編號 :1007-9432(2011 01-0051-04增量式編碼器輸出信號細分方法研究韓念琛 , 薛應芳 , 秦 將(太原理工大學 化學化工學院 , 太原 030024摘 要 :針對現(xiàn)有高精度增量式編碼器采用的細分方法在動態(tài)測量條件下影響其測量精度的 問題 , 提出了一種不受轉軸轉速波動影響的電子學細分方法 , 該方法響應速度快 , 結構簡單易于實 現(xiàn)

2、。 文章介紹了細分原理并給出了細分電路圖 , 并利用 M ultism 軟件進行了仿真試驗 。 試驗結果 表明在動態(tài)輸入條件下 , 該電路能夠準確輸出兩路相位差為 90 的倍頻脈沖信號 。關鍵詞 :增量式編碼器 ; 動態(tài)測量 ; 細分中圖分類號 :T M930. 1 文獻標識碼 :A增量式編碼器是一種脈沖式伺服元件 , 可以直 接將角位移轉變成脈沖信號 , 用于檢測被測對象的 運動方向、 運動位移、 旋轉速度以及旋轉角度等 1。 莫爾條紋的細分方法分為光學細分、 機械細分和電 子學細分三大類 , 其中電子學細分方法具有精度高 , 易于實現(xiàn)測量和數(shù)據(jù)處理過程的自動化等優(yōu)點 2, 因而得到了廣泛的

3、應用。常用的電子學細分技術有 電路實現(xiàn)和編程實現(xiàn)兩條路線 , 即硬件方法和軟件 方法。軟件細分是把光電信號通過 A/D 轉換器 , 變 成數(shù)字信號 , 送入微機或微控制器中 , 依靠編制程序 進行計算、 查表和插值來實現(xiàn) 3。常用軟件細分方 法 , 盡管其分辨率達到了 0. 1 甚至 0. 01 , 但其細分 電路中不可避免的涉及到了 A/D 采樣和計算過程 , 因而其細分精度必然受到了編碼器轉軸轉速波動的 影響。針對以上問題筆者提出了一種新穎的硬件細 分方法。該方法細分精度不受編碼器轉軸轉速波動 影響 , 轉換速率快且結構簡單可靠易于實現(xiàn) , 在動態(tài) 輸入的環(huán)境下測量精度得到有效提高。1 增

4、量式編碼器原理典型的增量式編碼器由信號采集和信號處理兩 部分組成 , 信號采集部分的作用是將光信號轉換為 隱含角度信息的電信號 , 如圖 1所示。它是由主軸、 發(fā)光元件、 碼盤、 狹縫、 接收元件組成。信號處理部 分的主要功能是將采集的光電信號轉換成數(shù)字量 , 并按所需格式輸出 , 它由放大整形電路和各種細分 電路組成 4。編碼器的圓光柵碼盤由指示光柵盤和測量光柵 盤組成。兩 個 光柵 盤 相 對運 動 產(chǎn)生 了 相 位差 為 90 , 周期為 T 的莫爾條紋 正弦信號。編碼器接收 元件通過讀數(shù)頭接收此正弦光信號。一般的接收元 件為雙頭或四頭 , 精度要求越高讀數(shù)頭越多。本方 法采用雙頭讀數(shù)

5、, 輸出相位差為 90 的莫爾條紋信 號 sin 和 cos 。為消除軸系晃動及光 柵盤偏心所 造成的誤差 , 通常采用對徑模擬量相加的方法 4, 即 在碼盤對徑 位置 增加一 對讀 數(shù)頭 , 輸出 莫爾 信號 sin 和 cos 。將其與上述對徑輸出的同名信號在 運算放大器輸入端直接相加后通過信號處理電路 , 輸出兩路相位差為 90 的正弦信號 A, B 。圖 1 編碼器數(shù)據(jù)采集裝置2 細分方法介紹2. 1 細分原理上述 A, B 兩相莫爾條紋信號可以表示為 : U A =M sin , (1 U B =M sin ( + /2. (2 式中 :U A , U B 為信號幅值 ; 為條紋信號

6、的相位角。*收稿日期 :2010-06-26:, , , ( 筆者提出的硬件細分方法是以上述 A, B 兩相信號 為基礎 , 通過設定相位角 i 的值 , 利用式 (1 確定與 i 對應的信號幅值 U i 。該幅值點將成為編 碼器是 否輸出計數(shù)脈沖的參考點 , 即當輸入信號的幅值大 于或等于這一幅值時 , 細分電路輸出計數(shù)脈沖。通 過設定多個不同的參考點使得編碼器在轉過一定角 度時 , 輸出固定個數(shù)的脈沖 , 達到對編碼器輸出信號 細分的目的。根據(jù)這一思想做了如下設計 :將正弦信號通過電壓比較器 , 信號幅值大于比 較器參考電壓時 , 比較器輸出高電平 , 當信號幅值小 于參考電壓時比較器輸出

7、低電平。信號幅值每經(jīng)歷 一次參考電壓值 , 相應的電壓比較器輸出一個計數(shù) 脈沖。對一組電壓比較器設定 n 個不同的參考電壓 值 , 比較器輸出 n 個不同的計數(shù)脈沖。利用這 n 個 計數(shù)脈沖輸出一相 n 倍頻信號。符合編碼器標準輸出還需要與上述信號正交的 另一相 n 倍頻信號 , 為此在細分電路中增加一組電 壓比較器。在計算兩組比較器參考電壓值時 , 通過 對 i 的設定來實現(xiàn)兩相信號的正交性。具 體設定 方法如下 :比較器參考電壓值即對應 i 處正弦信號幅值 , 通過式 (1 進行計算。考慮到多個脈沖在相位上需均 勻分布 , 因此 i 值應取為正弦信號一個相位周期上的 等分點。等份點 i 對

8、應的信號幅值即各電壓比較器 的參考電壓值。要實現(xiàn) n 倍頻 , 將 2 取 n 等分。每 一等份對應的相位角若為 , 則編碼器旋轉角度對應 的相位角 i =i (i =1, 2, 3, n 。將 i =i 的點設為 一組比較器的參考點 , 其參考電壓值為 U i =M sin i , 得到倍頻信號 A 。取 j =i - /2(j =i 的點為另一 組比較器的參考點 , 得到參考電壓值 U j =M sin j , 即 得到了與上述信號正交的倍頻信號 B 。以實現(xiàn) 6倍頻為例 , 如圖 2所示 :編碼器在一個 相位周期內(nèi)要輸出六個計數(shù)脈沖 , 需將相位角 2 取 12等份 , = /6。選定兩

9、組 比較器 C 1 C 6和 C 7 C 12, 通過上述方法設定這兩組比較器的參考電壓值 可以輸出兩路相位差為 90 的倍頻信號 A , B 。在實 現(xiàn)倍頻信號 A 過程中 , 正弦信號 A 正負峰值點處比 較器的參考電壓值可以用余弦信號 B 的零點進行替 換 , 以減少比較器的使用個數(shù)。如圖 2-a 所示 , 比較 器 C 4的輸入信號為余弦信號 , 參考電壓值為零。 2. 2 邏輯分析在正弦信號的一個相位周期內(nèi)分析各比較器的 輸出情況 , 得到各比較器的真值表如表 1所示。分 圖 2 比較器輸出信號 A , B90 的倍頻信號。表 1 各比較器真值表比較器 C 1C 2C 3C 4C 5

10、C 6C 7C 8C 9C 10C 11C 12真值表001100000000 011110000000 111111000000 111000000111 111111100001 111111110011 001000000000 011100000000 111110000000 111111000001 1111111000111111111101112. 3 特點分析觀察圖 2可知 , 比較細分前 A, B 兩相脈沖 , 最 終輸出的兩相脈沖 A , B 在一個相位周期內(nèi)實現(xiàn)了 6倍頻。此細分方法可以實現(xiàn)更高倍頻 , 所需比較 器個數(shù)與實現(xiàn)的倍頻數(shù)是相等的 , 要實現(xiàn)編碼器輸 出信號

11、的 n 倍頻 , 就需要相應 n 個比較器。與傳統(tǒng)的軟件細分方法相比 , 該方法在動態(tài)輸 入條件下細分精度得到了有效提高。傳統(tǒng)的軟件細52太 原 理 工 大 學 學 報 第 42卷分方法需要 A/D 采樣和計算過程 , 當某一時刻輸入 信號頻率突然增大時 , A/D 采樣過程中很有可能丟 失部分輸入信號 , 從而嚴重影響了編碼器輸出精度。 此外當輸入信號頻率達到某個極限值 , 此時 A/D 轉 換器來不及轉換 , 同時數(shù)據(jù)得不到及時處理 , 編碼器 的響應速率受到極大的限制。而采用該硬件細分方 法可以有效解決上述問題。如圖 3所示 , 當輸入頻 率不斷變化時 , 只要輸入信號幅值達到設定的幅值

12、 點 , 細分電路就輸出細分脈沖 , 不會因輸入信號頻率 的改變而影響編碼器的輸出精度。圖 3 變頻率輸入信號2. 4 電路實現(xiàn)在設定比較器的參考電壓時 , 首先必須保證信 號的幅值恒定 , 但實際信號的幅值是隨電源、 光強、 轉速和溫度等因素波動的影響而變化的 , 因而在信 號處理過程中加入了 A GC(自動增益控制 電路 , 使 信號幅值維持在一個恒定的值。將兩個讀數(shù)頭的電信號同名端進行模 擬量相 加 , 通過 A GC 放大后 再進 行細 分 , 輸 出相 位差 為 90 的 A , B 兩相信號。數(shù)據(jù)處理方框圖見圖 4 。圖 4 信號處理方框圖分析細分原理和各電壓比較器輸出的 邏輯關系

13、 , 可以用三個 封裝的比較器 LM 139和三個 封裝 的異或門 7486N 實現(xiàn)六倍頻細分。其細分 電路如 圖 5所示。 2. 5 電路仿真結果利用 M ultism 軟件對 上述電路原 理圖進行 仿 真試驗 , 仿真結果如圖 6所示 , 仿真過程中輸入信號 A, B 的頻率均為 25kH z, 幅值為 10V, 最終輸出兩 相相位差 90 的脈沖信號 A , B 。示波器 1輸出倍 頻信號 A , 如圖 6-a 所示 ; 示波器 2輸出倍 頻信號 B 圖 5 細分電路原理圖倍頻信號 A , B , 如圖 6-c 所示。圖 6 示波器的仿真圖形3 結論此細分方法具有如下特點 :1 響應速度

14、快 , 響應時間即比較器和邏輯單元 的遲滯時間 , 通常為 ns 數(shù)量級。2 由于此細分方法是以接收元件輸出信號的 幅值為參考值細分的 , 因此其測量精度不受編碼器 轉軸轉速波動的影響。3 此方法簡單可靠易于實現(xiàn) , 在動態(tài)測量條件 下可以有效提高測量精度。53第 1期 韓念琛等 :增量式編碼器輸出信號細分方法研究參考文獻 :1 趙合穩(wěn) , 張建衛(wèi) , 裴恩寬 . 用于光電編碼器的四倍頻測量電路 J . 電氣傳動自動 , 1997, 19(2 :63-64.2 吳爽新 , 田原嫄 . 基于莫爾條紋的新型細分方法研究 J . 微計算機信息 , 2007, 23(42 :214-216.3 董莉莉

15、 . 高分辨率光電編碼器電子學細分方法的研究 D. 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 , 2006.4 方艷輝 . 增量式編碼器全數(shù)字量相加技術的研究 D. 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 , 2005.5 崔驥 , 李懷瓊 , 陳錢 . 光柵莫爾條紋的細分與辨向技術 J . 光學技術 , 2000, 26(4 :294-296.6 賀傳敏 , 楊健武 . 一種新型實現(xiàn)高倍編碼器細分的軟件設計 J . 電子測量技術 , 2008, 31(8 :143-146.Research on Subdividing Method for OutputSignal of Incrementa

16、l EncodersHAN Nian -chen, XUE Ying -fang, QIN Jiang(Co llege of Chemis try and Chemical Eng ineer ing , T UT , T aiy uan 030024, ChinaAbstract:The pr oblem that dynam ic m easurement affects the measuring accuracy for ex isting hig h -pr ecision incremental encoder w as analyzed. A new electronics m ethod was introduced, w hich is not affected by the speed fluctuatio ns of shaft, and is fast, simple and easy to implem ent. T his ar ticle also elaborated the pr inciple of subdiv ision, g ave the circuit and made a sim ulation