高精度增量式光電編碼器信號處理系統(tǒng)

汪雨冰, 王 睿, 于永江, 楊 罕

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 長春 130012)

0 引 言

光電軸角編碼器, 又稱光電角位置傳感器, 是一種集光、 機(jī)、 電為一體的精密數(shù)字測角裝置。它以高精度計(jì)量圓光柵為檢測元件, 通過光電轉(zhuǎn)換, 將角位置信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。其具有精度高、 測量范圍廣、 體積小、 重量輕、 使用可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、 機(jī)器人、 光電經(jīng)緯儀和數(shù)控機(jī)床等諸多領(lǐng)域[1-6]。

增量式編碼器不同于絕對式編碼器, 其碼盤的刻線間隔均一, 對應(yīng)每個分辨率區(qū)間, 輸出一個增量脈沖方波[7], 具有結(jié)構(gòu)簡單, 易于實(shí)現(xiàn)小型化等優(yōu)點(diǎn)。由于增量式編碼器的這些特點(diǎn), 一般并不使用增量式編碼器進(jìn)行角度測量, 而用作伺服系統(tǒng)的速度反饋元件。因此增量式編碼器的輸出方波信號的精度對伺服系統(tǒng)尤其重要。

筆者在分析了增量式光電編碼器輸出精度對伺服系統(tǒng)的影響后, 提出一種高精度增量式光電編碼器的設(shè)計(jì)方法。該編碼器碼盤一周刻劃3 240線, 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成對莫爾條紋信號的10倍準(zhǔn)確細(xì)分。經(jīng)實(shí)際檢測, 所設(shè)計(jì)編碼器正交性偏差優(yōu)于10%, 均勻性偏差優(yōu)于15%, 極大地減小了應(yīng)用增量式編碼器時伺服系統(tǒng)的抖動, 有利于提高伺服控制系統(tǒng)的控制精度。

1 增量式光電編碼器原理

增量式光電編碼器原理圖如圖1所示。包括發(fā)光管、 光柵碼盤、 狹縫和光電接收元件。其中, 光柵碼盤和狹縫組成一對光柵副, 主軸帶動光柵碼盤, 與狹縫形成相對運(yùn)動。發(fā)光管發(fā)出的光, 透過相對運(yùn)動的光柵副, 形成莫爾條紋信號。光電接收元件將莫爾條紋光信號轉(zhuǎn)換為電信號, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)角度測量[8,9]。

圖1 編碼器原理圖Fig.1 Principle of encoder

在狹縫上, 采用裂相方案獲得4路相位相差1/4周期的莫爾條紋信號

其中C1～C4分別是4路信號直流偏移量[10,11],A1～A4分別是4路信號的幅值。通過對式(1)的運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)倍頻, 進(jìn)而提高編碼器的分辨率和精度。

2 增量編碼器輸出精度原理

2.1 輸出信號精度對伺服控制系統(tǒng)的影響

增量式編碼器輸出的兩路信號分別為M和N。理想狀態(tài)下,M、N兩路信號是標(biāo)準(zhǔn)正交的, 即M、N兩路信號的周期相同, 相位相差1/4周期。編碼器旋轉(zhuǎn)360°時, 將輸出多個周期的方波信號, 其方波信號的脈沖數(shù)決定了編碼器的分辨率。通過對方波信號脈沖的累加計(jì)數(shù), 可得當(dāng)前所轉(zhuǎn)過的角度位置。當(dāng)作為測速反饋元件時, 伺服控制系統(tǒng)通過測量編碼器信號的脈沖寬度得到當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。編碼器所輸出的M、N方波信號如圖2所示。

計(jì)數(shù)時, 在方波M的邊沿位置判斷信號N的電平, 可得當(dāng)前編碼器的轉(zhuǎn)動方向。將M與N異或后, 通過測量M⊕N信號的脈寬, 可得當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。

若信號M、N偏離標(biāo)準(zhǔn)正交方波, 則會造成對當(dāng)前速度的測量不準(zhǔn), 使伺服系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重抖動。

2.2 增量式編碼器誤差評估原理

對增量式編碼器信號誤差的評估, 主要采用對比臨近兩脈寬寬度的方法[12]。在評定同一路信號相鄰兩個脈寬的占空比誤差時, 筆者使用均勻性偏差； 在評定兩路信號相位的偏移程度時, 用均勻性偏差表示。增量式編碼器輸出信號如圖3所示。

圖2 增量式編碼器輸出信號測速方法 圖3 增量式編碼器輸出信號波形圖 Fig.2 The method of velocity measurement by using output signal Fig.3 The output waveform of incremental encoder

圖3中,T1、T2分別是方波信號M中相鄰兩個周期的波峰持續(xù)時間；T3、T4是方波信號N波谷分別與方波信號M的波峰和波谷交錯的持續(xù)時間, 則編碼器轉(zhuǎn)動的均勻性偏差為

正交性偏差為

一般情況下,J與Y不隨轉(zhuǎn)速的減小或增加而變化。通常, 在編碼器旋轉(zhuǎn)一周內(nèi),J和Y的最大百分比即為正交性和均勻性的測試數(shù)值, 并以此衡量增量式編碼器的輸出精度。

3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析

傳統(tǒng)的編碼器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要分為兩種： 采用A/D芯片完成細(xì)分的軟件細(xì)分方法和采用移相電阻鏈細(xì)分的硬件細(xì)分方法。

軟件細(xì)分方法具有電路板體積小、 細(xì)分精度高、 使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。但由于軟件細(xì)分具有數(shù)據(jù)處理延時, 在編碼器高速轉(zhuǎn)動時將不能及時響應(yīng)。

硬件細(xì)分主要采用移相電阻鏈方式實(shí)現(xiàn)倍頻細(xì)分。移相電阻鏈細(xì)分方式幾乎不存在數(shù)據(jù)處理延遲, 但是該細(xì)分方法每提高一個細(xì)分分辨率, 硬件數(shù)量就增加一倍, 而且調(diào)試過程及其繁瑣。

3.2 高精度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)原理

為保證編碼器輸出的實(shí)時性, 筆者設(shè)計(jì)了高精度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng), 其原理圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理電路原理圖Fig.4 The schematic of data procession

所設(shè)計(jì)的光電編碼器工作時, 主軸帶動碼盤轉(zhuǎn)動, 發(fā)光管發(fā)出的光透過光柵副形成莫爾條紋光信號； 光信號經(jīng)讀數(shù)頭中接收管的接收變成4路相位相差π/4的莫爾條紋光電信號。受電路參數(shù)、 光照強(qiáng)度等原因影響, 莫爾條紋信號必須經(jīng)過調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié), 使4路信號的幅值大小相同。然后進(jìn)入放大電路, 經(jīng)過差分放大獲得細(xì)分信號。根據(jù)式(1), 差分后的信號為

其中A是兩路細(xì)分信號的幅值,C是其直流偏移量。

細(xì)分電路將根據(jù)式(4)中的信號進(jìn)行細(xì)分運(yùn)算。設(shè)n為細(xì)分分辨率, 則信號每轉(zhuǎn)過一個360°/n角度, 就產(chǎn)生一個周期的細(xì)分脈沖； 最終對細(xì)分脈沖的上升沿計(jì)數(shù)得到信號M, 下降沿計(jì)數(shù)得到信號N。

3.3 處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖5 單路放大電路圖Fig.5 Single amplify circuit

隨著科學(xué)的發(fā)展, 集成芯片技術(shù)的進(jìn)步, 許多繁瑣的工作都可集成在一個小芯片中實(shí)現(xiàn)。筆者采用德國GEMAC公司生產(chǎn)的芯片GC_AIP40設(shè)計(jì)電路。GC-AIP40芯片為一款硬件細(xì)分芯片, 其內(nèi)部具有信號差分放大功能和輸入信號幅值調(diào)節(jié)功能。根據(jù)芯片手冊, 該芯片最高可實(shí)現(xiàn)40倍頻。

由光電編碼器接收管接收到的原始信號相位分別相差90°, 如式(1)中的u1～u44路信號經(jīng)調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)后, 進(jìn)入放大電路進(jìn)行差分放大, 單路放大電路圖如圖5所示。

經(jīng)放大處理后的信號進(jìn)入GC-AIP40芯電路, 其最小系統(tǒng)圖如圖6所示。

圖6 GC-AIP40最小系統(tǒng)圖Fig.6 Minimum system diagram of GC-AIP40

圖6中, 視窗引腳SMON和CMON可觀察輸入信號sinθ和cosθ的幅度。經(jīng)過芯片處理, 即可輸出10倍頻的正交方波信號M和N。

3.4 安裝調(diào)試

圖7 碼盤(狹縫)安裝調(diào)試Fig.7 The installation and debugging of code disk(slit)

為保證輸出精度, 需要保證輸入信號sinθ和cosθ的相位和幅度處于理想位置。sinθ和cosθ的相位受碼盤和狹縫的安裝影響較大。為此, 筆者在安裝調(diào)試高精度編碼器時, 采用顯微鏡觀測碼盤, 使碼盤旋轉(zhuǎn)一周時, 所有刻線都在同一半徑內(nèi), 保證碼盤的偏心度。安裝調(diào)試碼盤方式如圖7所示。

同時, 通過調(diào)節(jié)圖5中放大器的放大倍數(shù), 使輸入信號sinθ和cosθ的幅度相同。

通過以上方法調(diào)節(jié)所設(shè)計(jì)編碼器, 進(jìn)而保證其輸出精度。

4 檢測實(shí)驗(yàn)

利用泰克公司生產(chǎn)的TDS2014B型100 MHz數(shù)字示波器對增量式光電編碼器輸出的兩路信號精度進(jìn)行檢測。用示波器鎖定10個左右周期的編碼器輸出的方波信號。示波器鎖定信號后, 通過觀察, 選擇這幾個周期信號中T1與T2寬度相差最大的一個周期, 并測量其T1、T2和T3、T4時間寬度。定格示波器采集的波形圖如圖8所示。

圖8 檢測結(jié)果示意圖Fig.8 The detection result

圖8中兩條豎線所標(biāo)示的周期, 是經(jīng)多次測量發(fā)現(xiàn)T1與T2寬度相差最大的一個周期。經(jīng)示波器測量, 得

將式(5)代入式(2)、 式(3)得當(dāng)前測得編碼器均勻性偏差為J=19.7%, 正交性偏差為Y=12.5%。根據(jù)以往伺服系統(tǒng)應(yīng)用需要, 當(dāng)均勻性偏差小于20%, 正交性偏差小于15%時, 伺服系統(tǒng)可正常工作。因此, 筆者的檢測結(jié)果優(yōu)于使用指標(biāo), 滿足使用要求。

5 結(jié) 語

筆者設(shè)計(jì)的高精度增量式光電編碼器數(shù)據(jù)處理電路應(yīng)用于外徑為90 mm, 碼盤一周刻劃3 240線的編碼器中, 完成了對莫爾條紋信號的40倍準(zhǔn)確細(xì)分。經(jīng)過檢測, 輸出精度正交性偏差小于15%, 均勻性偏差小于20%。極大地減小了伺服系統(tǒng)的抖動。筆者還將進(jìn)一步研究減少正交性和均勻性偏差的方法, 以提高增量式編碼器輸出精度。