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)角位置的測量。光電編碼器分為絕對式和增量式兩種，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)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，碼盤隨之轉(zhuǎn)動，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，增加一對發(fā)光和接收裝置，使兩對裝置光柵節(jié)距錯開1/4，從而兩組脈沖序列A和B相差900。

采用編碼器測速的常用方法有M法和T法[1]，T法在定步長采樣中應(yīng)用較多，轉(zhuǎn)速較低時，分辨率較高，M 法在定時采樣中應(yīng)用比較多，轉(zhuǎn)速較高時，分辨率比較高，但是對于工業(yè)現(xiàn)場高速旋轉(zhuǎn)被測機(jī)械裝置，適用較高轉(zhuǎn)速測量的M法不能滿足高精度和寬測量范圍的要求，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定時采樣而提出變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)角的測量精度，并且增大了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角測量的分辨率[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速平臺，可實現(xiàn)對被測對象轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)測，通過信號調(diào)理電路，對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。

1 變M法測量轉(zhuǎn)速方法的提出和精度分析

1.1 M法測速原理

在一定的時間T內(nèi)測取光電編碼器脈沖個數(shù)N，用以計算這段時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作M法測速，如圖1所示，電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈帶動編碼器產(chǎn)生P個脈沖，時間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，則電動機(jī)轉(zhuǎn)速為

圖1 M法測速原理圖

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

在M測速法中，測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速時間采樣脈沖前沿不齊所造成的誤差等，最多可能產(chǎn)生一個脈沖的誤差，因此，M測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)場高速運(yùn)行的被測系統(tǒng)[2] 。

M法測速的分辨率為

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

1.2 變M測速法的提出

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

圖2 變M法測速原理圖

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

比較（2）和（4）可知，變M測速法最大誤差率僅為M測速法的1/4。

同理，變M測速法分辨率為

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法測量轉(zhuǎn)角

根據(jù)變M測轉(zhuǎn)速法的原理，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡的計數(shù)器可以對編碼器的轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量，在A相和B相兩路脈沖序列的上升沿和下降沿到來時，計數(shù)器均計數(shù)。當(dāng) A相脈沖超前B相脈沖，計數(shù)器進(jìn)行累加計數(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，將計數(shù)值換算成轉(zhuǎn)角角度輸出，計數(shù)原理圖如圖3所示。

圖3 計數(shù)器變M角度測量法原理圖

對于只有A、B兩相的編碼器，計數(shù)器在連續(xù)脈沖情況下計數(shù)累加，即輸出角度值一直累加，當(dāng)編碼器反轉(zhuǎn)時才開始遞減。對于有Z相的編碼器，Z相作為指示相，當(dāng)Z相來一個高脈沖時，計數(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相同時為低電平時，系統(tǒng)時基脈沖上升沿到來時計數(shù)器清零，對于有Z相的編碼器，每旋轉(zhuǎn)一周，Z相輸出一個脈沖，計數(shù)器進(jìn)行一次清零，在程序設(shè)計中，將計數(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。對于線數(shù)為1000p/rev的TRD-GK1000-RZ光電編碼器測量角度的分辨率

圖4 有Z相計數(shù)器角度測量原理圖

2 實驗分析

實驗選用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試對象電機(jī)實現(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，測速實驗的硬件設(shè)計如圖5所示[3]。

鑒于工業(yè)現(xiàn)場的條件，增量式光電編碼器的輸出信號一般夾雜著毛刺干擾，且編碼器旋轉(zhuǎn)時容易受機(jī)械振動而導(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A、B兩相在發(fā)生瞬間高頻振動的時間段內(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，在瞬間高頻振動的時刻，原來一個方波周期內(nèi)可能包含有幾個高頻脈沖，進(jìn)入計數(shù)電路就導(dǎo)致計數(shù)結(jié)果偏離實際值，出現(xiàn)所謂的“誤計數(shù)”。

圖5 測速系統(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，實驗設(shè)計了如圖6所示的信號調(diào)理電路，光電耦合器的發(fā)光二極管低阻抗電路對噪聲不敏感，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，或帶動編碼器的機(jī)械運(yùn)動較快時，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)阻較大的干擾信號在送入光電耦合器輸入端時便被大大削弱了， 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 電編碼器信號調(diào)理電路原理圖

實驗應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡的計數(shù)器功能，通過對正交光電編碼器A、B、Z三相數(shù)字信號的頻率測量，以實現(xiàn)對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的計算，通過對編碼器的數(shù)字信號的位移測量，完成對被測系統(tǒng)轉(zhuǎn)向的判斷，最后通過數(shù)字I/O通道，對編碼器輸出脈沖進(jìn)行實時采集，在LabVIEW搭建的虛擬儀器界面進(jìn)行實時顯示。整個測試的流程圖如7所示。

根據(jù)圖7所示變M法測速實驗流程圖，通過LabVIEW圖形化語言分別對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角測量進(jìn)行軟件實現(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實時采集[4]?；谔摂M儀器的測速和測轉(zhuǎn)角實驗系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖8所示，系統(tǒng)在顯示轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角瞬時測量值的情況下，一并將編碼器A、B、Z三相的輸出脈沖顯示出來，通過判斷編碼器脈沖的是否連續(xù)，設(shè)置報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)場高頻脈沖導(dǎo)致編碼器斷線而引起“誤計數(shù)”。通過實驗測試，表1給出了M法和變M法轉(zhuǎn)速測量的

圖7 測速系統(tǒng)流程圖

圖8 實驗系統(tǒng)運(yùn)行界面

數(shù)據(jù)對比結(jié)果，結(jié)果表明，變M法測速誤差相對值遠(yuǎn)小于M法測速的相對誤差，而且當(dāng)轉(zhuǎn)速越高時，相對誤差值越小，因此，變M法測轉(zhuǎn)速在原來測轉(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)速測量的數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)論

介紹了正交光電編碼器的測速原理，分析了M法測速的分辨率和測量誤差，在此基礎(chǔ)上提出了變M法測量轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，并且對測量實驗的硬件調(diào)理電路進(jìn)行了設(shè)計，在工業(yè)現(xiàn)場保證了光電編碼器兩路脈沖序列的正交性，通過LabVIEW 進(jìn)行了軟件實現(xiàn)，提供了友好的可視化界面。兩種方法實驗結(jié)果相對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)場高轉(zhuǎn)速、高精度測量的要求下具有很大的應(yīng)用價值。

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

[2] Denic D, Randelovic I, Miljkovic G. Recent trends of linear and angular pseudorandom encoder development[C] .International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion Taormina, Italy, 23-26 May 2006

[3] NationalInstrumnent.6251_Specifications[Z] .2008.

[4] 龍華偉,顧永剛.LabVIEW 8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集[M] .北京:清華大學(xué)出版社,2008.