黃 健 張善文

(西京學(xué)院，西安 710123)

基于感應(yīng)傳感的位置增量編碼器設(shè)計(jì)

黃 健 張善文

(西京學(xué)院，西安 710123)

為解決傳統(tǒng)編碼器的易損壞、可靠性不高、更換價(jià)格昂貴的問(wèn)題，提出采用非接觸式、電感感應(yīng)傳感設(shè)計(jì)位置編碼器的方案。用LDC1312數(shù)字電感傳感器作為感應(yīng)探頭，檢測(cè)涂有金屬物的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)，將其感應(yīng)測(cè)量到的數(shù)據(jù)通過(guò)IIC接口送入MSP430F5529處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)位置的檢測(cè)。該設(shè)計(jì)與機(jī)械編碼器相比，具有壽命長(zhǎng)、可靠性高，適用于在油漬、潮濕、灰塵等惡劣環(huán)境工作的優(yōu)點(diǎn)。

增量編碼器 感應(yīng)傳感 探測(cè)器

1 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常要檢測(cè)物體的角位移和直線位移?？刹捎镁幋a器對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行編碼，并將其轉(zhuǎn)換為可傳輸、存儲(chǔ)的信號(hào)形式。其中增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換為周期性的電信號(hào)，再轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，用脈沖個(gè)數(shù)表示物體的位移。

傳統(tǒng)的機(jī)械式編碼器，由于是接觸式的機(jī)械系統(tǒng)，使用中會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損以此降低系統(tǒng)的可靠性。若長(zhǎng)期使用，則會(huì)損壞編碼器，以至于更換器件，增加硬件成本。替換策略是使用光電傳感器，但同樣會(huì)受灰塵、潮濕等惡劣環(huán)境的影響，特別是在汽車(chē)工業(yè)和其它工業(yè)中帶來(lái)長(zhǎng)久的不穩(wěn)定性問(wèn)題[1～5]。

為有效解決上述問(wèn)題，提出采用感應(yīng)傳感非接觸技術(shù)，使用數(shù)字電感傳感器設(shè)計(jì)增量式編碼器，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送給低功耗微處理器進(jìn)行處理。此種方法可有效降低成本，提高可靠性，可在惡劣環(huán)境中使用，甚至可實(shí)現(xiàn)防水功能，可廣泛應(yīng)用在汽車(chē)工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品中。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖1中用感應(yīng)電感傳感器LDC1312檢測(cè)涂有金屬物的被檢測(cè)物體，將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)IIC接口與微處理器MSP430G5529相連。微處理器將處理后的信號(hào)送到TFT真彩液晶屏上顯示。

要實(shí)現(xiàn)增量式編碼器，要在旋轉(zhuǎn)物體上安裝上圖2所示圓盤(pán)，最小圓的半徑是5mm，中間圓的半徑是10mm，最大圓的半徑是26mm，在中間圓和最大圓之間有夾角為22.5°的扇形黑色區(qū)域共8個(gè)，等間距排列。其中黑色扇形區(qū)域涂有金屬物，可與電感互感，以達(dá)到檢測(cè)的目的。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

3.1 數(shù)字電感轉(zhuǎn)換原理

電感互感電路圖如圖3所示。當(dāng)交流電從電感線圈上流過(guò)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生交流磁場(chǎng)。當(dāng)有金屬物靠近該磁場(chǎng)時(shí)，將會(huì)在其表面產(chǎn)生電流，一般稱(chēng)為渦流[6～8]。

渦流通常是距離、尺寸和導(dǎo)體材質(zhì)的函數(shù)。渦流通常會(huì)產(chǎn)生與原磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)原磁場(chǎng)有所削弱。

互感的等效并聯(lián)電路圖如圖4所示，電磁場(chǎng)感應(yīng)等效于一個(gè)并聯(lián)RLC諧振電路。在感應(yīng)傳感應(yīng)用中，電阻元素是指寄生電路損耗而非具體元件。

圖4中的R-L-C振蕩電路由帶有閉環(huán)增益的選頻電路構(gòu)成，振蕩的標(biāo)準(zhǔn)是：1)環(huán)路增益大于1;2)閉環(huán)相移為2π弧度。

在R-L-C諧振時(shí)，可提供頻率選擇和相移。由于L和C并不消耗能量，所以整個(gè)電路只剩下耗能元件電阻Rp。其中Rp可通過(guò)下面的公式(1)計(jì)算

(1)

式中：Q——品質(zhì)因數(shù)，是電抗與等效并聯(lián)電阻的比值；L——并聯(lián)電感，H；C——并聯(lián)電容，F(xiàn)；Rp——電阻，Ω；Rp可決定傳感器的驅(qū)動(dòng)電流，較低的Rp需要較大的驅(qū)動(dòng)電流以維持恒定的振蕩幅度。很明顯，增大Q和L或者降低C均可增大Rp,反之可降低Rp。

3.2 移動(dòng)物體檢測(cè)方法

假定一個(gè)平面導(dǎo)電目標(biāo)沿水平方向相對(duì)于R-L-C諧振電路移動(dòng)，通過(guò)感應(yīng)頻率的變化，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。如圖5所示。圖5中自制PCB諧振感應(yīng)器詳細(xì)設(shè)計(jì)圖如圖6所示。圖6中線寬為14mm。

移動(dòng)目標(biāo)是一個(gè)鋁制圓盤(pán)，靠近或者遠(yuǎn)離自制PCB諧振感應(yīng)器，都應(yīng)該保持兩個(gè)面的平行。

圖7所示是目標(biāo)移動(dòng)距離與PCB諧振感應(yīng)器共振時(shí)的電感大小與頻率大小之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看到，當(dāng)距離從0增大到8mm時(shí)，感應(yīng)電感從0.2μH增大到6.8μH，感應(yīng)頻率從4.9MHz降低到3.45MHz。

當(dāng)感應(yīng)距離發(fā)生變化時(shí)，可以看到感應(yīng)頻率發(fā)生了明顯的變化。這種大范圍的頻移有利于測(cè)量更多的中間離散量，可實(shí)現(xiàn)高分辨率的物理測(cè)量。

圖8所示是自制PCB線圈直徑與感應(yīng)電感大小之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出，隨著直徑的增大，感應(yīng)電感量明顯增大。

Rp與目標(biāo)距離之間的關(guān)系如圖9所示。從圖中可以看出，隨著Rp阻值的增大，感應(yīng)距離會(huì)明顯變大。因此一般選定的Rp值要大于1.5kΩ。

3.3 LDC1312數(shù)字電感檢測(cè)原理

LDC1312結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示，圖中IDRIVE為提供給Rp的耗散電流。

LDC1312通過(guò)測(cè)量共振頻率fSENSOR來(lái)測(cè)量傳感器的電感。fSENSOR由傳感器的電感和電容決定，如公式(2)所示。

(2)

從公式(2)可以看出，傳感器的頻率與電感的二次根成反比。當(dāng)電感值降低10%，頻率提供4.9%。LDC1312通過(guò)公式(3)將頻率fSENSOR轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量輸出。式中fREF為參考頻率。

(3)

4 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 LDC1312前端探頭設(shè)計(jì)

LDC1312前端探頭設(shè)計(jì)如圖11所示， 共用到4個(gè)LDC1312，因?yàn)槊總€(gè)LDC1312是雙通道，所以傳感器A0和傳感器B0構(gòu)成一對(duì)，用一個(gè)LDC1312采集數(shù)據(jù)；傳感器A1和傳感器B1構(gòu)成一對(duì)，用一個(gè)LDC1312采集數(shù)據(jù)；以此類(lèi)推，共用到4個(gè)LDC1312傳感器[9]。

LDC1312采集到的頻率經(jīng)過(guò)公式(3)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)IIC總線與MSP430F5529連接圖如圖12所示。圖中SDA和SCL分別連接到MSP430F5529的P41和 P42。

5 測(cè)試結(jié)果

按照上述硬件連接圖進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，并在IAR下編寫(xiě)程序。旋轉(zhuǎn)目標(biāo)轉(zhuǎn)盤(pán)，用IIC總線讀取的數(shù)字量與角度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖13所示[10]。圖中所示是目標(biāo)物體與LDC1312傳感器的垂直距離為0.5mm時(shí)，通過(guò)IIC總線讀到的兩個(gè)傳感器輸出的數(shù)字量，基本上符號(hào)正弦曲線。通過(guò)曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以確定目標(biāo)物體的旋轉(zhuǎn)角度。

圖14所示是當(dāng)距離為1mm時(shí)，目標(biāo)物體的旋轉(zhuǎn)角度與數(shù)字量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，從圖中可以看出，它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系基本上也符合正弦曲線。因此通過(guò)查表程序，就可確定角度。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種采用感應(yīng)傳感設(shè)計(jì)位置增量式編碼器的新方法。文中詳細(xì)闡述了感應(yīng)傳感的基本工作原理。通過(guò)將感應(yīng)探頭均勻分布在圓盤(pán)上，檢測(cè)帶有金屬物的目標(biāo)物體相對(duì)于感應(yīng)探頭旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)字量。當(dāng)旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，讀取的數(shù)字量正好符合正弦曲線。測(cè)試結(jié)果表明：通過(guò)讀取該數(shù)字量，并確定數(shù)字量與角度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可確定目標(biāo)物體的旋轉(zhuǎn)角度。該編碼器相對(duì)于機(jī)械式編碼器而言，具有低成本、無(wú)接觸、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)?？蓱?yīng)用于潮濕、油漬、灰塵等惡劣環(huán)境中，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1] 孫瑩，萬(wàn)秋華等。航天級(jí)光電編碼器的信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)精密工程,2010,18(5):1 182～1 187.

[2] 齊荔荔，萬(wàn)秋華. 高分辨力面陣圖像式光電編碼器的測(cè)角技術(shù)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2013,34(1): 234～240.

[3] 文曉燕，鄭瓊林，韋克康，王琛琛. 增量式編碼器測(cè)速的典型問(wèn)題分析及應(yīng)對(duì)策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(2):185～189.

[4] 齊荔荔，萬(wàn)秋華. 圖像式光電編碼器的測(cè)角技術(shù)及其硬件實(shí)現(xiàn)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(4):0412001-1～ 0412001-10.

[5] 王顯軍. 基于SOC單片機(jī)的高集成度光電編碼器電路設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)精密工程,2011:19(5):1 082～1 087.

[6] 孫樹(shù)紅,梁立輝,萬(wàn)秋華. 基于DSP的光電編碼器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J].紅外與激光工程,2013,42(9):2 536～2 539.

[7] 陳曉榮, 陳淑芬, 楊甫勤. 增量式編碼器的相位編碼細(xì)分研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2007,28(1):132～135.

[8] 于海，萬(wàn)秋華等. 小型絕對(duì)式光電軸角編碼器動(dòng)態(tài)誤差分析[J]. 中國(guó)激光,2013,40(8): 0808004-1～0808004-7.

[9] 馮英翹, 萬(wàn)秋華. 小型光電編碼器細(xì)分誤差校正方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2013,34(6): 1 374～1 379.

[10] 郁有文，常健. 絕對(duì)碼編碼器中一種新型的編碼方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2004,25(4):541～544.

Design of Position Incremental Encoder based on Inductor Sensor

HUANG Jian ZHAGN Shan-wen

(XiJing University,Xi′An 710123, China)

In order to solve the problems of easy damage, low reliability and expensive replacement of traditional mechanical contact-based encoders, a design scheme of position encoder using contactless and inductive sensing is proposed. LDC1312 digital inductance sensor is used as the sensing probe to detect the rotating disk with metal. The digital quantity of the sensor is connected with the MSP430F5529 through the IIC interface, and the number of the pulse signal is processed by the MSP430F5529 to achieve the detection of the position of the rotating disc. Compared to the design of mechanical contact-based system, it has the advantages of high reliability, long life and for used in moisture, dust and other harsh environments.

Incremental encoder Inductive sense Detector

2016-08-30，

2016-11-04

黃健(1973-)，男，副教授，主要研究方向：嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)。

1000-7202(2017) 02-0095-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.20

TP212

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