絕對式光電編碼器關(guān)鍵技術(shù)研究

趙 波，宋 明

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033

絕對式光電編碼器關(guān)鍵技術(shù)研究

趙 波，宋 明

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033

絕對式光電編碼器在工業(yè)生產(chǎn)及軍用方面有著廣泛的應(yīng)用。絕對式光電編碼器可以實時輸出被測物的轉(zhuǎn)動角度值，通過換算可以得到被測物的速度、加速度及位移等數(shù)據(jù)，且具有實時性好、測量精度高、看惡劣環(huán)節(jié)等特點。文中對絕對式光電編碼器設(shè)計中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)討論，給出了詳細(xì)設(shè)計方案。

絕對式；光電編碼器；關(guān)鍵技術(shù)

光電編碼器又稱為光電角位移傳感器，采用光電轉(zhuǎn)換的方式實時輸出被測物的旋轉(zhuǎn)角度。其一般采用軸-軸連接的方式，以光柵元件作為角度傳感器，通過發(fā)光接收元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，CPU接收電信號將其轉(zhuǎn)換為固定格式的數(shù)字量進(jìn)行測量。

光電編碼器分為絕對式和增量式兩種。增量式光電編碼器輸出的信號為計數(shù)信號，通過專用的計數(shù)電路計數(shù)得到角度值，其在突然掉電時會丟失數(shù)據(jù)；絕對式光電編碼器克服了增量式光電編碼器的缺點，實時輸出目標(biāo)角度值，無積累誤差，掉電不丟失數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)組成

采用光學(xué)、機(jī)電一體化設(shè)計思想，全封閉結(jié)構(gòu)。具有強(qiáng)度高及防腐蝕性能好的特點，如圖1所示。

圖1 光電編碼器整體結(jié)構(gòu)圖

絕對式編碼器把軸角信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，為系統(tǒng)提供動態(tài)控制和測量用角度信息。絕對式編碼器電路包括：光電信號整理電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DSP數(shù)據(jù)處理電路、接口電路、控制軟件、電源等。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 碼盤

作為編碼器核心元件的碼盤，其表現(xiàn)為玻璃材質(zhì)，具有干同心圓碼道的形態(tài)，并且每條碼道均由多個等周期的線條共同構(gòu)成。

碼道壓縮技術(shù)是矩陣碼盤中常規(guī)技術(shù)體現(xiàn)，其價值在于幫助碼道一周輸出多位碼道信息，并且因此達(dá)到縮減碼道數(shù)圈數(shù)的目標(biāo)，進(jìn)一步可以縮小碼盤直徑，優(yōu)化整體碼盤結(jié)構(gòu)。除此以外，矩陣碼盤的精碼道還會引入一圈輸出一位的思路實現(xiàn)設(shè)計方案，并采用裂相方案保證4路精碼信號相位依次錯開90°。編碼器在整體設(shè)計時采取了對徑讀數(shù)、校正、細(xì)分等多項技術(shù)，對于切實提升編碼器的精度與穩(wěn)定性有著積極價值。碼盤結(jié)構(gòu)參見圖2。

圖2 碼盤圖

2.2 DSP處理電路

單片機(jī)是編碼器電路系統(tǒng)的核心部分，選用DSP系列TMS320F2812為主機(jī)。粗碼A及中精碼F碼均經(jīng)AD輸入接口送至處理器，完成數(shù)據(jù)采集和譯碼。

對徑讀取的兩組精碼信號經(jīng)差分放大得到下列四路精碼信號：

U1=V.Sin(a) U2 = V.Cos(a)

U1ˊ=VSin(a) U2ˊ= V.Cos(a)

精碼信號由MAX1308完成A/D轉(zhuǎn)換直接送入DSP。處理器對碼道輸入信號進(jìn)行處理，最后通過422接口將24位自然二進(jìn)制角度總代碼輸出。

2.3 代碼校正電路

編碼器有12條粗碼道，其自然二進(jìn)制碼為：

X1=A1 X2=X1⊕A2 X3=X2⊕A3

X4=X3⊕A4 X5=X4⊕A5 X6=X5⊕A6

X7=X6⊕A7 X8=X7⊕A8 X9=X8⊕A9

X10=X9⊕A10

X11=X10⊕A11

X12=X11⊕A12

式中：

Am—格雷碼；

Xm—自然二進(jìn)制碼。

由于工藝上的原因，不可避免地在各碼位上出現(xiàn)偏差.特別是碼道內(nèi)圈由于刻劃半徑小同樣的切線方向誤差，反映到內(nèi)圈誤差就大。設(shè)計碼盤時在適當(dāng)位置將碼道分為精碼和粗碼。外圈取精碼，再經(jīng)過其他精化措施，確保其精度。校正邏輯用比較精確的碼道作標(biāo)準(zhǔn)，來發(fā)現(xiàn)并修正各粗碼碼道端面偏差，這就是代碼校正（奇偶校正原理）。

根據(jù)奇偶判別原理，有如圖3所示代碼校正碼道關(guān)系圖。圖中B0為精碼，B1為校正控制碼。它們的周期相等，相位錯開四分之一周期。F為校正碼，它使各個位置滿足相同的校正條件。Xm為被校正的粗碼，Xm與F周期相同，相位錯開四分之一周期。當(dāng)Xm沒有發(fā)生偏差時，任何位置B0，F(xiàn)，Xm模值相加之和均為偶數(shù)；如果發(fā)生偏差，B0、F、Xm模值相加之和將為奇數(shù)，相應(yīng)的要對Xm進(jìn)行加1或減1校正，校正關(guān)系式如下：

∑B0XmF=偶數(shù)時不校正；

∑B0XmF=奇數(shù)且B1＝0時：B0=1，減一校正；B0=0，加一校正。

校正只有在B1＝0時才能進(jìn)行，如果Xm的變換范圍超過這個區(qū)間就不能校正，因此Xm的校正范圍是B1周期的四分之一。

圖3 代碼校正碼道關(guān)系圖

2.4 軟件設(shè)計

為了滿足采樣速度的要求，軟件設(shè)計采用C語言。

圖4 編碼器主程序流程框圖

3 實驗結(jié)果與結(jié)論

本文詳細(xì)論述了絕對式光電編碼器設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題。給出了具體的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計，系統(tǒng)實時性好、穩(wěn)定可靠，在實際處理中有非常廣泛的應(yīng)用前景。

[1]熊經(jīng)武，萬秋華.二十三位絕對式光電軸角編碼器[J].光學(xué)機(jī)械，1990，113（2）：52-60.

[2]蘇奎峰，等.TMS320F2812 原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]蘇奎峰，等.TMS320F2812 原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

圖2 控制流程

圖3 腔體溫度變化圖

參考文獻(xiàn)

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[3]劉鎮(zhèn)，姜學(xué)智，李東海.PID控制器參數(shù)整定方法綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，1997（8）.

TN762

A

1674-6708（2015）148-0156-02

趙波，副研究員，工作單位：中國科學(xué)院長春光機(jī)所，研究方向：光學(xué)儀器設(shè)計