光电码盘四倍频分析---程序和电路结构

自动化与仪器仪表

光电码盘四倍频分析

北京航空航天大学机器人研究所（#"""4,）韩壮志李伟王田苗王守杰

摘

要"提高位置测量的精度，是提高电机定位精度的主要途径。作为当前常用转角位置传感器

的增量式光电码盘，常采用四倍频的方法提高其测量精度。针对一些精度和稳定性不高的四倍频电路从原理上说明了电路的精度在应用中造成的误差5详细分析了两种可应用于不同环境的四倍频电路，和稳定性5其结论在实际应用中也得到了验证。

关键词"电机控制伺服电路光电码盘

在分布于各个行业的大量机电系统的设计中，定位精度常常是最关键的性能指标之一。在此类系统的设计中，当前主要使用电机作为驱动，因此研究提高电机伺服系统定位精度的方法，对提高机电系统性能具有重要的意义。对于一个设计完善的伺服系统而言，其定位精度主要取决于位置测量装置(#)。由于光电码盘具有分辨率高、响应速度快、体积小、重量轻、输出稳定、耐恶劣环境等特点，所以在电机伺服控制系统中得到了广泛应用。通常，光电码盘分为绝对式和增量式两种。绝对式码盘在任意位置都可给出与位置相对应的数字转角输出量，不存在四倍频的问题。增量式码盘是根据轴所转过的角度，输出一系列脉冲，并通过计数电路，对脉冲进行累计计数，得到相对角位移。由于单个绝对码盘的角位移的测量范围仅为

。其中，#）/、0两相信号的脉冲数标志码盘轴所转过的角度，/、0之间的相位关系标志码盘的转向，即当标志码盘正转（见图#%），当0/相超前0相."*时，

相超前/相."*时，码盘反转（见图#’）。

对于每个确定的码盘，其脉冲周期!对应的码盘故其量化误差为!2!。如果能够将/角位移固定为!，

或0信号四倍频，则计数脉冲的周期将减小到!23，量化误差下降为!24，从而使光电码盘的角位移测量精度提高3倍。由于伺服系统中的码盘转速具有不可预见性，造成脉冲周期!具有不确定的特点，从而无法使用锁相环等常用倍频方案。详细观察图#可以发现，在脉冲周期!内，/、0两相信号共产生了四次变化，即"#、"!时刻的上升沿和",、"3时刻的下降沿。尽管!不确定，但由于/、0两方波信号之间相位关系确定，使这四次变化在相位上平均分布，如果利用这四次变化产生四倍频信号，则可以实现光电码盘测量精度的提高。

四倍频后的码盘信号，需经计数器计数后，才能转化为相对位置。计数过程一般有两种实现方法：一是由可编程计数器或微处理器内部定时2计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数。当需控制的电机数量少时，前一方案附加元件少，结构简单，较为容易实现。如使用4",#控制一路电机，则无需添加任何器件，利用其内部的!"及!#计数

"*+,-"*，需多个码盘才能测量大于,-"*的角位移，

从而提高了系统的价格和复杂程度；而增量式码盘转角测量范围只受计数电路的位数限制，结构简单，价格较低，因此得到广泛应用。本文提到的光电码盘，都是指增量式码盘。

在实际应用中，通常采用四倍频的方法以提高光电码盘的定位精度。因此，结构简单、性能稳定、运行可靠的四倍频电路，是电机伺服电路的一个重要组成部分。通常，光电码盘的四倍频电路与判向电路设计为一个整体，故又统称为四倍频及判向电路。能够实现四倍频的电路结构很多，但我们在应用中发现，由于某些四倍频电路的精度或稳定性不高，从而使加入四倍频电路后，精度本应得到提高的系统，整体性能反而下降，从而使系统无法达到设计要我们在分析几种常见四倍频电路的基求(!)。为此，

础上，针对不同的应用，设计了两种不同的电路实现方案。下面，对四倍频电路的设计原理及两种方案的结构和使用方法进行讨论。

!四倍频电路设计原理

光电码盘的典型输出为两个相位差为."*的方波信号（/和0），以及零位脉冲信号1（见图

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%&码盘正转时输出信号

$’&码盘反转时输出信号

图#增量时光码盘输出

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《电子技术应用》!"""年第#!期

自动化与仪器仪表

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跳变），其输出信号不会发生

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60-60,

任何变化，这一方面显示了电路逻辑结构的严密性，另一方面也提高了抗干扰能力。图)为该电路实现四倍频及判向功能的时序图。

从以上分析可以看出，该电路具有逻辑结构严密、不受干扰输入影响、易于实现简单$%&器件集成等特点。当前，该电路已成功应用于多种机器人控制系统中，

包括人工肌肉、图像监控系统，以及分辨率达到+"4:的微操作机器人等，实际应用验证了该电路的精度和稳定性。

图!面向通用计数器的的四倍频及判向电路

器，即可实现计数。当需控制的电机数量较多时，则采用后一种方案，利用复杂可编程逻辑器件（$%&），实现会更为简单。

基于以上思路，根据不同的计数方案，可以设计出以下两种四倍频电路。

!面向通用计数器的四倍频及判向电路

在实现#’!路电机控制的情况下，使用微控制器内部通用计数器，或简单地增加可编程计数器即可实现计数。因此也要求四倍频电路结构简单，便于利用我们采用的电路原理如图简单$%&实现集成。为此，

用于锁存,、!所示。其中，()%*#()为+&触发器，-信号的当前状态及原状态；.$为()%*#()的同步时

钟，其周期至少应小于码盘脉冲最小周期的#/)；0,及0-分别为电路生成的正反向四倍频计数脉冲，其宽度等于.$的脉冲周期。该电路的逻辑表达式如下：

0,123#0-123!

3#3+

45#

!36!3+

45#

7 （83#7 （83#

45#

45#

!36!36

45#

7!23!7!23!

45#

!3+!3+

45#

7979

45#45#45#45#45#45#

45#

1,1-

3!36

13#13+

图)面向计数器的四倍频及判向电路时序图

45#45#

由于我们主要关心该电路在输入状态变化时，其输出状态的变化情况，而且四倍频电路变化较大的也主要是输入状态，因此本文采用输入状态转换图进行电路逻辑分析2下同7。该电路的输入状态转换如图6所示。

其中，,-表示

"面向可逆计数器的四倍频及判向电路设计

对于多轴数控机床、机器人等需要多轴电机控制的场合，如果采用上述设计方案，往往需要增加较多的可编程计数器，造成电路元器件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降等缺点。当前，解决该问题的一个实现多路有效方案，是利用;$<,等复杂$%&器件，电机的码盘接口电路的芯片化设计，包括光码盘信号四倍频电路、判向电路及可逆计数器电路。下面，以采说明设计过程。用;$<,实现为例，

首先，为便于使用=>&%语言描述，对码盘信号作如下分析：

（#）当码盘正转时，码盘输出的,相信号超前-相?"@，则在一个周期内，,-两相信号共有四次相对变化：""##"####"#（图#A）；这样，如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次加计数，则一个周

,、-两相输入信号，

0,、0-

表示四倍频

电路输出。从状 …… 此处隐藏：2840字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……