劉晴晴 韓利軍 任 磊 邵春江

北京航天自動(dòng)控制研究所, 北京100854

基于增量式光柵編碼器的高精度角位移測(cè)試方法

劉晴晴 韓利軍 任 磊 邵春江

北京航天自動(dòng)控制研究所, 北京100854

針對(duì)增量式光柵編碼器，給出一種四倍頻細(xì)分結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算反正切的方法，測(cè)量編碼器轉(zhuǎn)過(guò)的角位移。經(jīng)驗(yàn)證，該方法能有效提高增量式光柵編碼器的分辨率，得到較高的角位移測(cè)量精度。 關(guān)鍵詞 增量式光柵編碼器；四倍頻細(xì)分；反正切計(jì)算；角位移測(cè)量

光柵編碼器是一種集光、機(jī)、電于一體化的數(shù)字化檢測(cè)裝置，是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的傳感器，具有分辨率高、精度高、可靠性好、測(cè)量范圍廣和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，被廣泛應(yīng)用于航空航天、自動(dòng)流水線和高精度測(cè)速系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中[1]。光柵編碼器按照其測(cè)量原理又分為絕對(duì)式光柵編碼器和增量式光柵編碼器。絕對(duì)式光柵編碼器通過(guò)對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)軸角位置的編碼值獲得絕對(duì)位置信息，不需要測(cè)定零位，但價(jià)格相對(duì)其他方式較為昂貴[2]。增量式光柵編碼器直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出矩形波脈沖信號(hào)，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械平均壽命長(zhǎng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和傳輸距離遠(yuǎn)；缺點(diǎn)是只能輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的相對(duì)位置信息[3]。

本文基于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的增量式光柵編碼器，進(jìn)行高精度的角位移檢測(cè)方法研究?，F(xiàn)在常用的零位檢測(cè)電路采用單限電壓比較器，存在抗干擾能力差的問(wèn)題。采用滯回電壓比較器，提高了編碼器零位信號(hào)檢測(cè)電路的抗干擾能力。常用的編碼器信號(hào)處理采用四倍頻方式，只能將編碼器分辨率提高4倍；采用四倍頻細(xì)分結(jié)合A/D采樣方式，將編碼器輸出的相位相差90°的正余弦信號(hào)進(jìn)行四倍頻細(xì)分和鑒相，同時(shí)對(duì)編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，構(gòu)造反正切函數(shù)，進(jìn)一步細(xì)分計(jì)算，大幅度提高了編碼器的角位移測(cè)量精度。

1 增量式光柵編碼器輸出信號(hào)特點(diǎn)

增量式光柵編碼器輸出3路信號(hào)，分別為相位相差90°的正弦信號(hào)、余弦信號(hào)和零位信號(hào)。增量式光柵編碼器每次旋轉(zhuǎn)過(guò)0時(shí)，其零位輸出端輸出電壓尖峰信號(hào)，為零位信號(hào)，指示編碼器通過(guò)零位位置，如圖1所示。增量式光柵編碼器主軸每旋轉(zhuǎn)一圈，輸出固定數(shù)量的脈沖，脈沖數(shù)由光柵編碼器光柵的條數(shù)決定。通過(guò)對(duì)脈沖數(shù)計(jì)數(shù)，就可以得到光柵編碼器轉(zhuǎn)過(guò)的角度，如圖2所示。光柵編碼器輸出A和B兩路相位相差90°的信號(hào)。如果A相超前B相，則表示編碼器正轉(zhuǎn)；若B相超前A相，則表示編碼器反轉(zhuǎn)。

通過(guò)對(duì)光柵編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行細(xì)分處理，就可以得到編碼器轉(zhuǎn)過(guò)的角位移。

圖1 零位信號(hào)

圖2 編碼器的輸出原始波形

2 增量式光柵編碼器信號(hào)處理方法

2.1 零位信號(hào)處理

光柵編碼器每次在旋轉(zhuǎn)過(guò)0時(shí)，零位輸出端會(huì)輸出尖峰電壓信號(hào)，提取出尖峰電壓的位置，就可以得到編碼器的零位位置。本文給出一種增量式光柵編碼器零位信號(hào)處理電路，如圖3所示。

圖3 零位信號(hào)處理電路

由運(yùn)算放大器U1、電阻R1、電容C1構(gòu)成低通濾波和電壓跟隨器電路，可以濾除零位信號(hào)上的毛刺。在實(shí)際使用中，需要調(diào)整RC取值，保證濾波前后信號(hào)相位關(guān)系不變。

設(shè)計(jì)電壓比較器，將電壓比較器的閾值電壓與零位尖峰信號(hào)進(jìn)行比較，將零位尖峰電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為高電平脈沖信號(hào)輸出。在實(shí)際使用過(guò)程中，輸入電壓在閾值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的躍變，不管這種微小變化是來(lái)源于輸入信號(hào)的噪聲還是外部的干擾，因此采用普通的單限電壓比較器，抗干擾能力差。本文采用滯回電壓比較器，利用滯回電壓比較器的滯回特性，可以提高電路的抗干擾能力。如圖3中，由電壓比較器U2、電阻R2，R3和R4構(gòu)成滯回電壓比較器，滯回電壓比較器的輸出電壓與輸入電壓關(guān)系曲線如圖4所示。在輸入電壓逐漸增大的過(guò)程中，當(dāng)ViVT2時(shí)，Vo輸出變?yōu)榈碗娖?。同理，在輸入電壓逐漸減小的過(guò)程中，當(dāng)Vi>VT2時(shí)，Vo輸出低電平；當(dāng)Vi繼續(xù)減小，在VT1

圖4 滯回電壓比較器輸入輸出關(guān)系

根據(jù)圖3，VT1，VT2為：

(1)

(2)

其中，Vd=+5V。

當(dāng)光柵編碼器每一次經(jīng)過(guò)零位位置時(shí)，零位信號(hào)處理電路都會(huì)給出高電平脈沖信號(hào)，使用FPGA電路檢測(cè)該脈沖信號(hào)，將光柵編碼器上電后第一次過(guò)零時(shí)的高電平脈沖信號(hào)作為有效信號(hào)，檢測(cè)到該有效信號(hào)后，將脈沖計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值清零。

2.2 正余弦信號(hào)細(xì)分鑒相

增量式光柵編碼器輸出相位相差90°的正余弦信號(hào)，通過(guò)對(duì)正余弦信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，可以獲得很高的角位移精度。假設(shè)編碼器一圈有N條刻線，則編碼器旋轉(zhuǎn)一圈，正余弦信號(hào)輸出端輸出N個(gè)脈沖，細(xì)分主要是對(duì)正余弦信號(hào)進(jìn)行處理，獲得角位移信息，原理圖如圖5所示。四倍頻鑒相波形如圖6所示。

圖5 正余弦信號(hào)細(xì)分工作原理圖

2.2.1 四倍頻細(xì)分和鑒相

對(duì)光柵編碼器輸出的2路相位相差90°的正余弦信號(hào)，通過(guò)低通濾波和電壓跟隨器，濾除正余弦信號(hào)上的毛刺；構(gòu)建滯回電壓比較器，將正余弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)A和B。編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，A路超前B路；編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，B路超前A路。通過(guò)對(duì)A路和B路方波信號(hào)的跳變沿進(jìn)行采樣，將一個(gè)周期的正余弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為4個(gè)正向或反向脈沖。每產(chǎn)生1個(gè)正向脈沖，將脈沖計(jì)數(shù)值加1；每產(chǎn)生1個(gè)反向脈沖，將脈沖計(jì)數(shù)值減1，從而完成正余弦信號(hào)的四倍頻細(xì)分和鑒相，四倍頻細(xì)分方法將計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)增加了4倍，即將光柵編碼器分辨率提高了4倍。設(shè)脈沖計(jì)數(shù)值為N，N即為四倍頻細(xì)分結(jié)果。

圖6 四倍頻細(xì)分波形示意圖

2.2.2 A/D采樣提高細(xì)分精度

如圖5所示，光柵編碼器輸出的這2路正余弦信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后，同時(shí)輸出至放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器，放大電路使正余弦信號(hào)波形能滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入量程要求。對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字正余弦信號(hào)進(jìn)行單位化處理后，構(gòu)造反正切函數(shù)，進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)分計(jì)算，從而進(jìn)一步提高編碼器角位移測(cè)量精度。

單位化處理是將A/D采樣的數(shù)字正余弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為幅值相同、直流量為0，且正負(fù)對(duì)稱的標(biāo)準(zhǔn)正余弦信號(hào)，如圖7所示。單位化處理去掉了正余弦信號(hào)幅值的影響，僅保留正余弦信號(hào)之間的相位關(guān)系，簡(jiǎn)化了后續(xù)反正切計(jì)算過(guò)程。

圖7 單位化及象限判據(jù)示意圖

假設(shè)經(jīng)過(guò)單位化的正弦信號(hào)為Usinθ，余弦信號(hào)為Ucosθ，根據(jù)正余弦信號(hào)的符號(hào)，可以判斷出θ所在的象限，如圖7和表1所示。

表1 象限判據(jù)表

根據(jù)正余弦信號(hào)的幅值，計(jì)算反正切值：

(3)

并根據(jù)表1中θ所在的象限，將反正切值在(0,π/2]區(qū)間進(jìn)行歸一化：

(4)

最終細(xì)分結(jié)果為：

(5)

表2 細(xì)分結(jié)果

2.3 角位移計(jì)算

由上述細(xì)分結(jié)果，得到增量式光柵編碼器相對(duì)

其零位轉(zhuǎn)過(guò)的角位移：

(6)

其中，K為增量式光柵編碼器的刻線條數(shù)。

3 結(jié)論

采用四倍頻細(xì)分和A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算反正切相結(jié)合的方式，對(duì)增量式光柵編碼器的輸出進(jìn)行處理，能有效提高光柵編碼器的分辨率，得到較高的角位移測(cè)量精度。對(duì)于實(shí)際中常用的16200條刻線增量式光柵編碼器，采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，理論上角位移測(cè)量精度可以達(dá)到0.02″。該技術(shù)已應(yīng)用于實(shí)際轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)中，角位移測(cè)量精度優(yōu)于1″。

[1] 林長(zhǎng)友. 光柵編碼器發(fā)展現(xiàn)狀分析與展望[J]. 光機(jī)電信息，2011，28(6):1-3.( Lin Changyou. Situation Analysis and Prospect of Grating Encoders[J]. OME Information,2011,28(6):1-3.)

[2] 黃巍. 基于增量式光電編碼器的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置初始定位[J]. 伺服控制，2011,(8):35-37.(Huang Wei. Rotor Incipient Position Location of PMSM Based on Incremental Photoelectric Coded Disk[J]. Servo Control,2011, (8):35-37.)

[3] 陶仁浩. 基于增量式光電編碼器的高精度位置檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué), 2012.(Tao Renhao. Research on the High-precision Position Detection Technology Based on Incremental Optical Encoder[D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2012.)

High-Precision Angular Position Detection Technology Based on Incremental Optical Encoder

Liu Qingqing， Han Lijun， Ren Lei， Shao Chunjiang

Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Amethodisdesignedtocalculatetheangularpositionofincrementalopticalencoder,whichisbasedonfourfold-frequencyandA/Dconversioncalculation.Theresolutionoftheincrementalopticalencodercanbeimprovedbyusingthismethod,andhigherangularpositionmeasurementprecisioncanbeacquired.

Incrementalopticalencoder;Fourfold-frequency;Arctangentcalculation;Angularmeasure

2016-06-01

劉晴晴(1983-)，女，山東人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閼T性測(cè)量技術(shù)；韓利軍(1982-)，男，河北人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)；任 磊(1982-)，男，陜西人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)；邵春江(1971-)，男，北京人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)。

TP273

A

1006-3242(2017)03-0058-04