基于正交編碼器高精度測(cè)速方法的研究

焦東升，張秀彬，應(yīng)俊豪

0 引言

正交光電編碼器是一種數(shù)字式角度檢測(cè)裝置，它將輸入給轉(zhuǎn)軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量輸出，用于機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)角位置的測(cè)量。光電編碼器分為絕對(duì)式和增量式兩種，增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，通過光柵開放與封閉光通路，在接收裝置輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，在正交光電編碼器中，增加一對(duì)發(fā)光和接收裝置，使兩對(duì)裝置光柵節(jié)距錯(cuò)開1/4，從而兩組脈沖序列A和B相差900。

采用編碼器測(cè)速的常用方法有M法和T法[1]，T法在定步長(zhǎng)采樣中應(yīng)用較多，轉(zhuǎn)速較低時(shí)，分辨率較高，M 法在定時(shí)采樣中應(yīng)用比較多，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，分辨率比較高，但是對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高速旋轉(zhuǎn)被測(cè)機(jī)械裝置，適用較高轉(zhuǎn)速測(cè)量的M法不能滿足高精度和寬測(cè)量范圍的要求，本文在M法基礎(chǔ)上，利用正交編碼器相位相差900的條件將脈沖序列同時(shí)定時(shí)采樣而提出變M法，并且采樣脈沖序列的上升沿和下降沿，使在不改變編碼器制造工藝增加單周線數(shù)的條件下，提高了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度，并且增大了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角測(cè)量的分辨率[1]。

將編碼器產(chǎn)生的脈沖序列輸入數(shù)據(jù)采集卡，通過LabVIEW 搭建基于虛擬儀器的測(cè)速平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)編碼器輸出的脈沖序列進(jìn)行濾波、隔離、放大處理，使其適應(yīng)環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

1 變M法測(cè)量轉(zhuǎn)速方法的提出和精度分析

1.1 M法測(cè)速原理

在一定的時(shí)間T內(nèi)測(cè)取光電編碼器脈沖個(gè)數(shù)N，用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作M法測(cè)速，如圖1所示，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈帶動(dòng)編碼器產(chǎn)生P個(gè)脈沖，時(shí)間T以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)r/min為單位，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為

圖1 M法測(cè)速原理圖

在上式（1）中，P和Tc均為常值，因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖個(gè)數(shù)Mr。

在M測(cè)速法中，測(cè)速誤差決定于編碼器的制造精度，以及編碼器輸出脈沖前沿和測(cè)速時(shí)間采樣脈沖前沿不齊所造成的誤差等，最多可能產(chǎn)生一個(gè)脈沖的誤差，因此，M測(cè)速法誤差的最大值為

由式（2）可知，δmax與Mr成反比，即轉(zhuǎn)速越高，誤差率越小。因此適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高速運(yùn)行的被測(cè)系統(tǒng)[2] 。

M法測(cè)速的分辨率為

由式（3）可知，M法測(cè)速的分辨率與實(shí)際轉(zhuǎn)速的大小無(wú)關(guān)，要提高分辨率，必須增大P和Tc，但在實(shí)際中，增大P收到編碼器制造工藝限制，增大Tc勢(shì)必是采樣周期變長(zhǎng)。

1.2 變M測(cè)速法的提出

在M法測(cè)速基礎(chǔ)上，對(duì)于正交光電編碼器，產(chǎn)生正交的A、B兩相脈沖同時(shí)輸入，相位相差900，并且在脈沖上升沿和下降沿均計(jì)數(shù)，這樣檢測(cè)到光電編碼器輸出脈沖個(gè)數(shù)Mrf為Mr的4倍。因此變M測(cè)速法原理如圖2所示，那么電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為

圖2 變M法測(cè)速原理圖

在變M測(cè)速法中，最多可能產(chǎn)生其中一組脈沖中一個(gè)上升沿或者下降沿誤差，因此，變M測(cè)速法誤差最大值為

比較（2）和（4）可知，變M測(cè)速法最大誤差率僅為M測(cè)速法的1/4。

同理，變M測(cè)速法分辨率為

式（3）和式（6）相比較，在不改變P和Tc的情況下，分辨率（Q減小4倍）提高了4倍。

1.3 變M法測(cè)量轉(zhuǎn)角

根據(jù)變M測(cè)轉(zhuǎn)速法的原理，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器可以對(duì)編碼器的轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，在A相和B相兩路脈沖序列的上升沿和下降沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器均計(jì)數(shù)。當(dāng) A相脈沖超前B相脈沖，計(jì)數(shù)器進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，即輸出角度值為正，反之輸出角度為負(fù)。根據(jù)編碼器線數(shù)值，將計(jì)數(shù)值換算成轉(zhuǎn)角角度輸出，計(jì)數(shù)原理圖如圖3所示。

圖3 計(jì)數(shù)器變M角度測(cè)量法原理圖

對(duì)于只有A、B兩相的編碼器，計(jì)數(shù)器在連續(xù)脈沖情況下計(jì)數(shù)累加，即輸出角度值一直累加，當(dāng)編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)才開始遞減。對(duì)于有Z相的編碼器，Z相作為指示相，當(dāng)Z相來(lái)一個(gè)高脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器清零重新加載，Z相清零原理圖如圖4所示，在Z相為高電平情況下，并且A相和B相同時(shí)為低電平時(shí)，系統(tǒng)時(shí)基脈沖上升沿到來(lái)時(shí)計(jì)數(shù)器清零，對(duì)于有Z相的編碼器，每旋轉(zhuǎn)一周，Z相輸出一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器進(jìn)行一次清零，在程序設(shè)計(jì)中，將計(jì)數(shù)值換算成轉(zhuǎn)角角度輸出，即編碼器旋轉(zhuǎn)一周，程序輸出角度00～3600循環(huán)一次，反之，當(dāng)編碼器反轉(zhuǎn)，B相輸出脈沖超前 A相，計(jì)數(shù)器遞減，編碼器旋轉(zhuǎn)一周，程序輸出角度-3600～00循環(huán)一次。對(duì)于線數(shù)為1000p/rev的TRD-GK1000-RZ光電編碼器測(cè)量角度的分辨率

圖4 有Z相計(jì)數(shù)器角度測(cè)量原理圖

2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)選用TRD-GK1000-RZ增量式正交光電編碼器，線數(shù)為1000p/rev，工作電壓為DC24V，采用法蘭加緊和被測(cè)試對(duì)象電機(jī)實(shí)現(xiàn)同軸安裝。數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司的M系列USB-6251板卡，單通道1.25M/s采樣率，分辨率16Bit，24路數(shù)字I/O,通過USB總線和PC機(jī)相連接，測(cè)速實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)計(jì)如圖5所示[3]。

鑒于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的條件，增量式光電編碼器的輸出信號(hào)一般夾雜著毛刺干擾，且編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)容易受機(jī)械振動(dòng)而導(dǎo)致編碼器的主碼盤和鑒相盤光縫之間不再保持嚴(yán)格的相差1/4節(jié)距關(guān)系，因此，輸出信號(hào)A、B兩相在發(fā)生瞬間高頻振動(dòng)的時(shí)間段內(nèi)不再保持900的相差，光電編碼器的輸出也不再是原有規(guī)范的方波信號(hào)，在瞬間高頻振動(dòng)的時(shí)刻，原來(lái)一個(gè)方波周期內(nèi)可能包含有幾個(gè)高頻脈沖，進(jìn)入計(jì)數(shù)電路就導(dǎo)致計(jì)數(shù)結(jié)果偏離實(shí)際值，出現(xiàn)所謂的“誤計(jì)數(shù)”。

圖5 測(cè)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

為了抑制干擾的影響，使其具有較強(qiáng)的抗干擾能力和可靠性，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖6所示的信號(hào)調(diào)理電路，光電耦合器的發(fā)光二極管低阻抗電路對(duì)噪聲不敏感，抗干擾能力較強(qiáng)。此外光耦還可以切斷現(xiàn)場(chǎng)與接收端系統(tǒng)之間的地線回路，使二者能用獨(dú)立的電源供電，起到保護(hù)作用。當(dāng)使用的編碼器柵距很小，或帶動(dòng)編碼器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)較快時(shí)，編碼器輸出脈沖頻率較高，因此隔離選用高速光電耦合器6N137。這樣，內(nèi)阻較大的干擾信號(hào)在送入光電耦合器輸入端時(shí)便被大大削弱了， 再經(jīng)過發(fā)光二極管、光敏三極管的耦合作用， 那些經(jīng)過削減的干擾幾乎完全被抑制掉了。

圖6 電編碼器信號(hào)調(diào)理電路原理圖

實(shí)驗(yàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器功能，通過對(duì)正交光電編碼器A、B、Z三相數(shù)字信號(hào)的頻率測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的計(jì)算，通過對(duì)編碼器的數(shù)字信號(hào)的位移測(cè)量，完成對(duì)被測(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向的判斷，最后通過數(shù)字I/O通道，對(duì)編碼器輸出脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在LabVIEW搭建的虛擬儀器界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)測(cè)試的流程圖如7所示。

根據(jù)圖7所示變M法測(cè)速實(shí)驗(yàn)流程圖，通過LabVIEW圖形化語(yǔ)言分別對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角測(cè)量進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，并將正交編碼器輸出的脈沖序列通過數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字 I/0實(shí)時(shí)采集[4]?；谔摂M儀器的測(cè)速和測(cè)轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖8所示，系統(tǒng)在顯示轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角瞬時(shí)測(cè)量值的情況下，一并將編碼器A、B、Z三相的輸出脈沖顯示出來(lái)，通過判斷編碼器脈沖的是否連續(xù)，設(shè)置報(bào)警指示正交光電編碼器輸出脈沖是否正常，以避免光電編碼器由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高頻脈沖導(dǎo)致編碼器斷線而引起“誤計(jì)數(shù)”。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表1給出了M法和變M法轉(zhuǎn)速測(cè)量的

圖7 測(cè)速系統(tǒng)流程圖

圖8 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行界面

數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果，結(jié)果表明，變M法測(cè)速誤差相對(duì)值遠(yuǎn)小于M法測(cè)速的相對(duì)誤差，而且當(dāng)轉(zhuǎn)速越高時(shí)，相對(duì)誤差值越小，因此，變M法測(cè)轉(zhuǎn)速在原來(lái)測(cè)轉(zhuǎn)速方法的基礎(chǔ)上精度有了很大的提高。

表1 M法和變M法轉(zhuǎn)速測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié)論

介紹了正交光電編碼器的測(cè)速原理，分析了M法測(cè)速的分辨率和測(cè)量誤差，在此基礎(chǔ)上提出了變M法測(cè)量轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，并且對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的硬件調(diào)理電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)保證了光電編碼器兩路脈沖序列的正交性，通過LabVIEW 進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)，提供了友好的可視化界面。兩種方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差求均方值分別為 0.452‰和0.121‰，可以看出變M法誤差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M法，證明變M測(cè)速法在不改變光電編碼器制造工藝和采樣周期的基礎(chǔ)上精度大大提高，而且具有很高的分辨率。該方法在惡劣環(huán)境的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高轉(zhuǎn)速、高精度測(cè)量的要求下具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

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