基于FPGA高精度磁編碼器抖動干擾的編碼技術

陳慧

摘要

我們對本題目的研究，首先是從增量式光電編碼器開始分析，根據增量式光電編碼器的基本工作原理以及傳統(tǒng)的一種正交編碼脈沖電路的工作原理。可以推出增量式光電編碼器抖動時候所產生的抖動的具體原因。從我們得出的結果可以得出正交編碼脈沖電路在某些時候會對我們的系統(tǒng)產生錯誤的計數(shù)。文中提及可以利用一種基于FPGA的編碼器優(yōu)化裝置，去編碼抖動干擾的編碼電路去代替之前的正交編碼脈沖電路，然后驗證這種優(yōu)化的正確性。

【關鍵詞】增量式光電編碼器 抖動干擾 FPGA

隨著現(xiàn)代化技術的在電子技術方面的一系列成就以及制造工藝的大幅度提高。交流電機的技術已經十分純熟，并且在工業(yè)領域的運用越來越廣泛。而且交流電機的系統(tǒng)一般采用磁場定向矢量控制。我們通常采用轉子的磁極和矢量控制兩方面的反饋數(shù)據。進而控制電機電流的波形、相位和頻率。這樣就能夠確定定子與轉子的相互對相應關系。使電動機產生恒定的電磁轉矩，所以磁極的位置的精確檢測是一個至關重要的數(shù)據?，F(xiàn)代化的磁極檢測單元各式各樣，我們時長用到的是旋轉式的變壓器和、絕對編碼式和增量編碼式的。從實用性和合理性的觀點去考慮增量式編碼器由于其價格較低、抗干擾能力比較強，而且它能檢測到的是在某個時間段范圍內的一個增量值。所以就選擇增量式編碼器，并以此為基礎研究如何才能把他們的抖動量降到最低狀態(tài)。

1 增量式編碼器的特點

按照增量式編碼器的類型劃分可以分為增量式和絕對式兩類。

增量式編碼器的基本運轉形式是將位移信號經過裝置轉換成某周期性的電信號，然后我們可以通過對電信號做出一系列的處理，轉換成我們需要的脈沖信號，通過對脈沖信號的合理的處理以脈沖信號的個數(shù)記錄旋轉過的位移大小。而絕對式編碼器與這種原理大不相同，它是把碼盤上刻有數(shù)字，因此在測量絕對式編碼器的示值的時候我們只需要看初始位置。通過判向電路和計數(shù)器可以準確的判斷增量式編碼器轉軸旋轉方向和脈沖數(shù)量的增減。在設置起點的時候沒有特定的要求，可以設置任一點為起點。在測量多圈時結果是把圈數(shù)相加得到測量的值。通常在尋找機械參考零點時，為了計算方便可以把脈沖信號的發(fā)射點作為一個參考點。在實驗進行時編碼器軸轉動360度我們就會接到一個脈沖量，通過對光柵的線數(shù)的檢查脈沖數(shù)可以記錄旋轉了多少圈。當我們需要更高精度時，就需要對它的分辨率進行調整。主要方法有兩種：一是對其相位差相隔一定的角度，二是更換裝置來提高編碼器的分辨率。

2 增量式編碼器的工作原理

增量式編碼器的主要組成件是由：光源、碼盤、光敏元件、放大整形、脈沖輸出等幾個部分。

編碼器在碼盤上以不同的半徑開出三個碼道，我們以半徑的大小從內到外分別定義為X、Y、Z。而在內圈A、B碼盤的開出等距離的縫隙，為了計脈沖數(shù)和鑒別相位這些縫隙有一半是透明而另一半是不透明的，且透明與不透明相間，而且會在碼盤上布滿各種計數(shù)原件的傳感器和光敏元件的傳感器。當工作軸轉動時，碼盤也會隨著其進行轉動，在實際運行過程中A瑪?shù)朗褂脕碛嫈?shù)而B碼道是用來確定相位，為了區(qū)分脈沖個數(shù)和相位我們把A、B相差60度，通過他們的相位和脈沖可以判斷出他們的懸向。當順時針轉動時脈沖A超前脈沖B，反轉時脈沖B超前脈沖A。Z的作用就是在實際中對A進行清零操作，以免會出現(xiàn)誤計數(shù)現(xiàn)象。

3 編碼器抖動干擾產生原理

在理論上編碼器是沒有收到任何抖動或者是干擾的，而且只有在沒有外界干擾的時候使用正交編碼器，在對模擬電路脈沖信號進行計數(shù)時候，才不會出現(xiàn)任何錯誤。但是在實際應用中，沒有在理論中的那樣的情況，總會出現(xiàn)這樣或者是那樣的干擾。例如在實際的一個應用中調速系統(tǒng)和電機在工作時候都會不可避免的出現(xiàn)抖動。而如果這種抖動被反映在編碼器上，就是透光部分出現(xiàn)波動，這樣的情況下我們所得到的脈沖就不可能是一個正交脈沖列，導致計數(shù)錯誤的現(xiàn)象。

4 基于FPGA抖動干擾設計

經過各種數(shù)據分析和對比實驗我們可以得出的結論就是機械方面的震動和來自環(huán)境方面的干擾。因此去解決我們所面臨的震動和環(huán)境的干擾是抖動設計的關鍵部分。為了解決這個問題我們的思路可以針對脈沖的上升沿和下降沿這兩個部分。可以假設當一個脈沖處于干擾的情況下是上升沿（下降沿），這樣另一個脈沖是正常傳播到設備上的。所以我們就可以利用這種特性分別進行正向和反向的脈沖進行計數(shù)，以保證計數(shù)的準確性。

在光電編碼正常運轉的情況下，我們可以得到一段機械抖動干擾的脈沖，我們可以對其中的一個脈沖取反，得到一個新的脈沖（為了方便記錄我們把它稱為脈沖a），然后取a的下降沿部分與另一個脈沖相與。產生正、反向計數(shù)器的脈沖a交另一個計數(shù)器的脈沖。由此可得，當干擾脈沖使得正向計數(shù)器產生誤記脈沖時，同時也能在反向計數(shù)器產生誤記脈沖。當我們采用可逆的脈沖計數(shù)器時，可使干擾所產生的增計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖相等。因此在計數(shù)時增減的脈沖信號可以相互抵消。從而消除抖動脈沖的干擾影響。

5 結論

通過基于FPGA高精度磁編碼器抖動干擾的高精度編碼技術我可以從中發(fā)現(xiàn)不但消除了抖動和各種外界干擾所產生的誤計數(shù)現(xiàn)象。還可以實現(xiàn)計數(shù)脈沖的倍頻，從而進一步減小了計數(shù)誤差，這對于我們在現(xiàn)實中的應用又是一個巨大的進步。

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