光电编码器(6篇)

光电编码器篇1

【关键词】步进电机；步距角；闭环控制；脉冲信号

1.应用背景

在超声波清洗机的工作过程中，为了提高工作效率，减轻工人工作负荷，实现清洗过程自动化，设计了该直线运动定位系统。该系统可以实现沿直线方向的往复运动，运动过程中任意时刻，可改变运动方向及运动速度，亦可快速定位到运动范围内的特定位置。

2.硬件及结构组成

该系统硬件组成主要包括：单片机、步进电机驱动器、步进电机、光电编码器、位置传感器、柔性联轴器、滚珠丝杠组件、直线滑轨组件、执行器连接器。

如图1所示，其中：1.步进电机，2.光电编码器，3.位置传感器，4.柔性联轴器，5.滚珠丝杠组件，6.直线滑轨组件，7.执行器连接器。

3.控制方法及工作流程

3.1步进电机控制

选用两项四线混合步进电机，步进电机的步距角为1.8°。步进电机旋转一周所需的脉冲数为：n=360°/1.8°=200。步进电机控制信号由单片机根据不同的转速要求发出相应频率的脉冲给步进电机驱动器，步进的及驱动器根据脉冲的频率驱动电机。电机旋转的同时带动光电编码器同步旋转，光电编码器发出的信号反馈给步进电机驱动器完成整个闭环控制。步进电机驱动器通过光电编码器反馈信号与自身发出的脉冲信号对比，可及时发现步进电机的过冲、丢步等运行错误并自动完成修正。

3.2执行器连接器位置标定

为实现定位至运动范围内的特定位置的功能，需要沿导轨方向在运动范围内为步进电机建立一维坐标系，并为执行器连接器所在的位置标定对应的坐标。标定方法如下：

将执行器连接器向起始位置移动，当起始位置传感器发出信号后，步进电机停止转动。该位置记为起始位置，编码为0。将执行器连接器向终止位置移动，当终止位置传感器发出信号后，步进电机停止转动。该位置记为终止位置，编码为光电编码器从起始位置到终止位置记录的编码数，记为N0。使用1000线光电编码器，则从起始位置运动至距离起始位置1（单位：mm）对应的步进电机脉冲数为：

3.3直线运动系统工作流程

4.总结

通过使用位置传感器和光电编码器实现了执行器连接器运动边界标定，执行器连接器精确定位。在直线滑轨保证直线运动方向精度的基础上，使用滚珠丝杠和步进电机及光电编码器组成的闭环控制系统实现了执行器连接器的高精度移动。此直线运动定位系统不受运动范围限制，运动范围改变仅需对系统坐标系重新标定；在横向和纵向分别布置，亦可实现二维空间的精确定位及移动。[科]

光电编码器篇2

关键词：数控；参考点；故障及维修

中图分类号：TH18文献标识码：A

一、编码器回参考点的类型

1相对编码器回参考点

采用相对编码器的数控机床由于在每次开机时都需要回参考点，不同数控系统返回参考点形式有所不同，FANUC系统回零的模式比较典型，下面以其为例说明相对编码器回参考点的原理。

当手动或自动回机床参考点时，首先将机床的工作模式选择为回零模式，确保机床回零坐标轴离开减速挡块，然后点击回零轴的正方向进给按钮，回零轴以正方向快速移动，当挡块碰上参考点接近开关时，开始减速运行。当挡块离开参考点接近开关时，继续以FL速度移动并检测增量编码器反馈回来的一转信号，当检测到一转信号后机床继续运动参数设定的栅格偏移量，回归电机停止，并将此零点作为机床的参考点。

2机床绝对编码器回参考点

采用绝对式编码器或光栅尺回参考点的称为绝对栅格法回参考点，并且一旦零点建立，无需每次开机回零，即便系统关断电源，由于编码器的电池给编码器供电，机床位置偏移（绝对位置编码器转角）仍然不会丢失。但是当编码器电池放电完成或更换伺服放大器时，编码器中的位置就会丢失，需要重新进行回零找回位置。

3光栅尺回参考点

带有绝对参考标志的光栅尺有两路参考信号，两路参考信号的间距不相等，有一个很小的差值，原理类似于我们使用的游标卡尺中的主尺与游标尺，在原始零点两路参考信号是重合的，离开零点之后随着距离的加大，两路的参考信号间距也会随着增大，这样机床只需要测量两路参考信号的间距就可以确定机床离开原点的距离，因此机床返回参考点时不需要回到机床原点，只需要知道距离零点的距离，机床就能正确建立坐标系。

二、回参考点的故障诊断与分析

1返回参考点时，参考点位置偏差1个栅格

故障现象：机床回零的时候每次零点位置都变化，有时回零准确，有时差一个螺距的距离。

故障分析：针对返回参考点时位置偏差一个栅格的故障主要有以下几点原因：

①减速档块位置不合适，参考点位置与减速信号起作用的那点的位置距离应该等于大约电机转一圈时机床所走的距离的一半。

②减速档块太短。

③回零开关不良。

故障处理：针对上述原因，解决的方法分别是：

①调整减速挡块的位置。

②更换减速挡块。

③更换回零开关。

2返回参考点时，位置是随机变化的

故障现象：机床返回参考点的位置不稳定，随机变化。

故障分析：造成此种现象的原因分析如下：

①编码器受外部干扰。

②位置编码器的供电电压太低，使编码器无法正常工作。

③电机与滚珠丝杠的联轴器松动。

④位置编码器不良。

⑤回参考点计数器容量设置错误。

⑥伺服控制板或伺服接口模块不良。

⑦回零挡块松动。

故障处理：根据以上原因，故障处理的方法为：

①排除干扰源，屏蔽编码器。

②检查编码器供电电源，进行维修。

③拧紧联轴器。

④更换位置编码器。

⑤重新计算参考点计数器容量。

⑥更换伺服控制扳或接口模块。

⑦将挡块锁紧。

3机床返回参考点时不进行减速

故障现象：机床返回参考点时没有减速，机床出现超程报警。

故障分析：根据机床回零的过程分析其原因可能有以下几点：

①机床回零减速的行程开关损坏，机床无法进行正常的回零减速，无法找到参考点。

②回零减速开关的导线破损或断开。

③减速挡块松动。

④若机床刚刚调整过可能机床的PMC程序编辑错误。

故障处理：

①更换回零的减速行程开关，或对开关进行维修。

②对减速开关的线路进行更换回修理。

③锁紧减速挡块。

④重新调整机床的PMC程序使其符合要求。

4机床开机无法返回参考点

故障现象：机床无法返回参考点。

故障分析：引起该故障的原因可能有以下几点：

①机床回零点的参数设置不正确。

②编码器存在故障。

③编码器反馈线路断裂。

④若光栅尺回零可能光栅尺被污染。

故障处理：

①调整机床回零参数。

②维修或更换编码器。

③更换编码器反馈线。

④清洗或更换光栅尺。

5机床返回参考点欠量

故障现象：机床返回参考点的指示灯不亮。

故障分析：可能位置跟踪误差设置不合理。

故障处理：调整位置跟踪误差。

结语

总而言之，造成数控机床回参考点的故障原因很多，需要对机床故障进行综合分析，总结经验，提高机床维修效率。

参考文献

[1]徐峰.数控机床维修工常用技术手册[M].上海：上海科学技术出版社，2009.

光电编码器篇3

1处理电路的改进编码器设计

1.1码盘的编码方式

编码器分为绝对式和增量式两种。码盘是轴角编码器测角的主要元件，圆周360°角度由码道分开，绝对式码盘有多条码道，如图1所示。每条码道依靠透光﹙图中白色﹚和不透光﹙图中黑色﹚把圆周分成若干等分。并采用格雷码、阶梯码和通圈形式刻划。该编码方式的特点为：1﹚第1圈粗码A1和第2圈粗码A2均刻一条线，弧长为半圈，相位错开90°；2﹚第3圈A3起，每圈刻线数为2n?2；3﹚第n圈码道的亮区中心位于第n+1圈码道的暗区中心；4﹚码道刻划从里向外为粗码、通圈、中精码和精码；5﹚该码盘为直径254mm，厚度12mm的环形玻璃圆盘。该编码方式的优点是分辨率高、读数误差小、有绝对零点；缺点是不能直接进行运算处理，需要转换成自然二进制代码。目前我国的大型光电经纬仪多数采用此种编码方式。

1.2改进设计的思路

码盘输出的码道信号有粗码﹙A码﹚，中精码﹙G5码、J码和F码﹚，精码﹙G码﹚和通圈﹙T﹚信号。它们的波形依次为方波、梯形波、似正弦波、正弦波和高低电平［1?2］。传统的处理方法是通过硬件电路进行鉴幅。粗码与固定电平做比较，将方波和梯形波放大并整形为占空比为1:1的方波；中精码与通圈做比较，将梯形波和似正弦波放大并整形为占空比为1:1的方波；精码采用差分放大器、A/D转换器和软件细分，得到绝对式编码器低10位的二进制角度代码﹙即29…20﹚，三者组合成24位编对式编码器的二进式角度总代码，最小分辨率0.077″。选择的比较电平易受环境变化和使用期限等因素的影响，导致各码道的转换点改变而出现乱码、错码、抖动、飞车和不转动等故障现象，经常影响光电经纬仪的正常使用。传统的处理电路中，模拟器件使用数量较多，超过了整体译码电路的85%，使处理电路的运行速度、抗干扰能力、调试过程、通用性以及成本等受到了挑战。鉴于传统编码器处理电路存在的以上弊端，本文提出了改进方法，即采用软件形式替代编码器数据处理电路中的模拟电路，并为数据处理系统增设参数整定和正常工作两种模式。改进后的绝对式编码器经HCX01项目论证，一方面成功地消除了传统数据处理电路中模拟电路造成的调试复杂、抗干扰能力差等问题，另一方面实现了新数据处理电路关键参数的自动获取，有效地避免了手动调试过程中引入的误差，保证了译码精度，并提高了译码电路的可靠性。

1.3硬件电路设计方位

编码器和高低编码器分别安装在垂直轴和水平轴上。基于DSP处理器的应用，其数据处理系统设计在一块电路板上，由光电信号整理电路、A/D模拟转换电路、DSP数据处理电路、接口电路、控制软件和电源等组成。改进后的处理电路原理如图2所示。

1.3.1数据采集装置

数据采集装置包括照明系统、码盘、狭缝、读数头、轴系及固定机构等。其中，光源采用白炽灯照明方式。白炽灯为特制的6V，15W，要求用直流稳压电源供电，亮度能手动调节；光学系统由非球面镜、柱面镜、转角棱镜、直角棱镜和固定件组成；码盘是一个环形玻璃圆盘，共刻印了22圈同心圆码道。从外向里分成精码道、中精码道和粗码道3个部分；狭缝分为精狭缝和粗狭缝，精狭缝拾取精码信号和中精码信号，粗狭缝拾取粗码信号；读数头采用硅光电二极管，具有防潮、防腐和稳定等特点；轴系采用密珠轴系，具有较高的回转精度［2?6］。

1.3.2数据处理装置

该编码器灯源采用6V、15W白炽灯，白炽灯发出的恒光经光学系统变为平行光后分三路照射到粗码照明区和两个精码照明区；采用对径读取精码、中精码信号，软件上进行数字量相加取平均，消除码盘的工艺误差、安装的偏心误差和轴系晃动误差；精码采用差分放大和12位A/D转换器，以减小细分误差和量化误差。1﹚光电信号整理电路：精码差分放大电路和中精码放大电路完成编码器原始信号的放大，同时对信号中的直流成分和噪音进行共模处理，进一步提高信号质量［7］。2﹚A/D模数转换电路：整理后的精码和中精码信号均为±5V的交流信号，经过A/D转换电路进行模数转换，为了保证测角精度和测速反馈的要求，设计中选用8通道12位A/D转换电路，8个通道转换时间为1.98μs。高低、方位共40路光电信号，编码器数据采集和A/D转换时间小于10μs。3﹚DSP数据处理电路：DSP数据处理电路是编码器分系统的核心元件，完成编码器分系统指令接收，进行角度信息处理，实现与系统的数据通讯的控制功能，电路设计选用TMS320F2812中央处理器﹙DSP﹚作为核心处理电路。4﹚同步采样信号接收及整理电路：为了实现角度信息与光电经纬仪时间的一致性，电路还设计了系统同步采样信号接收及整理电路，对系统发送来的采样信号进行整理处理，处理后的同步采样信号脉冲为负脉冲信号，信号宽度6μs。5﹚电子调零电路：可以在方位角0°~360°、高低角?5°~185°范围内，根据系统指令，能够设置仪器的绝对零点，数据永久保存在E2ROM，直到重新设置。6﹚任意点清零功能：光电经纬仪可在任意位置完成手动清零。7﹚角度显示：采集的角度数据送至平显控制电路，实时显示光电经纬仪的高低角和方位角，自检时可显示编码器系统工作状态和故障。8﹚供电电源：包含5V，±12V3个电源等级，电源采用GJB要求的标准电源产品。

2改进电路的技术特点

24位绝对式编码器处理电路随码盘形式、码道刻划、细分方式的不同而各异，但其作用相同，即放大光电信号、细分，将其转换成自然二进制的角度信息。

2.1中央处理器的选择

本编码器设计采用TMS320F2812中央处理器﹙DSP﹚作为核心处理电路，具有处理速度快、在线自检功能和可并行处理各种事件等优点［8］。

2.2减少调整环节

以往在调整各码道信号的输出幅值时采用电位计手动调整，信号通过比较鉴幅器后输出1:1的方波信号。而本改进电路去掉了传统的粗码电位计调整环节和中精码、粗码信号的比较鉴幅电路，绝对式编码器输入的所有码道信号全部通过A/D模拟转换器转换，与传统的处理电路相比，减少了电路的体积，系统的稳定性和集成度也得到了提高。2.3可靠性增加由于大幅度减少了调整环节和相应的放大器、比较器，在程序中增加了角度信号的调整和自动补偿，并且可以在线自检，提高了编码器工作的可靠性。

3关键技术的实现

3.1信号参数的自动计算与调整

传统的处理电路是通过硬件电路进行比较鉴幅，比较电平是固定的，导致占空比的变化不能准确反映出轴角的位置。本改进设计根据A/D转换器采集的码道信号是连续变换的数字值，DSP处理器利用公式计算出各码道信号的参数后找出比较电平，再进行调整。以粗码A5为例，比较电平计算见式﹙1﹚。当A5输出的码道信号幅值发生改变时，比较电平也相应改变，输出的数字信号占空比始终为1:1，准确反映出轴角的位置，提高了24位绝对式编码器的准确率和可靠性。Vs=Vmax?Vmin3+Vmin。﹙1﹚通常比较电平应设定为各路中精码和粗码信号峰值的1/3，如图3所示。经过与相应的比较电平比较后，形成的各路数字信号的占空比为1:1。

3.2码道自动检查主控

计算机分系统按照通讯协议要求，将各码道信号的检查指令通过数据通讯分系统转发给编码器分系统，在线自检方位和高低编码器分系统的码道工作状态，如发现故障，能及时报警，并定位故障位置，实现编码器分系统码道故障的远程诊断。1﹚中精码、粗码码道的检查：通过改进电路的A/D转换器采集各路中精码、粗码的码道信号，检测其波形是否有高低电平的交替变化。有变化表明该条码道工作正常，没有变化表明该条码道有故障。2﹚精码码道的检查：通过改进电路的A/D转换器采集各路精码信号，检测其波形是否满足幅值和正交性要求。满足要求表明该对精码道工作正常；未满足要求表明该对精码道有故障。精码信号参数如图4所示。

3.3编码连续性的实时检查

编码器在运行过程中，根据外推功能实时检测方位、高低编码器分系统的进位情况，如出现跳变现象，能及时报警并通知主控计算机分系统［9］。检测依据是误差外推公式，即编码器分系统工作在800Hz的采样频率下，通过前3个采样时刻编码器分系统输出的角度信息，根据式﹙2﹚计算出下一时刻编码器分系统输出的理论角度值S0，用理论值S0减去编码器分系统实际输出的角度值，“差值”大于60″，表明编码器分系统出现进位故障，应及时报警。理论值计算公式S0=2﹙S1?S2﹚+S1+S32。﹙2﹚判断依据为理论值减去当前值大于60″。参数60″即编码器分系统以1/s的角速度转动，以800Hz频率采样，在一个采样周期内，编码器角度变化为4.5﹙即58个分辨率﹚。

4新旧处理电路的比较

4.1旧处理电路的不足

绝对式编码器传统的处理电路由于硬件设计的固有原因，存在着如下不足［10?11］：1﹚粗码、中精码和精码在数据处理系统内含有大量的电阻、运算放大器和可调电位计，在选配精确的电阻型号时工作繁琐、任务量大，且电路调试过程过于复杂；2﹚调试各精码信号的幅值、对称性和差分放大器零点漂移需要依赖手动调节电位计和观察示波器的波形，自动化程度很低，而且引入的信号幅值误差导致后续译码中的细分误差量偏大；3﹚硬件电路的编码器设计无法适应光电码盘信号强度随环境条件改变和自身老化产生的变化，导致数据处理电路寿命短，不具有实用性；4﹚粗码比较鉴幅电路的输入电平在恶劣环境下极易被高频噪声干扰，噪声信号很容易穿越比较电平，导致源码信号产生跳变。

4.2新处理电路的优势

绝对式编码器改进型处理电路存在的明显优势：1﹚利用软件替代和实现了传统处理电路中的比较鉴幅电路和精码差分放大电路的功能，简化了硬件结构，电路调试简单，有效地避免了模拟器件容差等因素带来的误差；2﹚为数据处理电路增设了工作模式，即参数整定模式和正常工作模式，该编码器设计可根据气候的变化或在轻微故障时，通过整定参加试验任务；3﹚精码道信号的幅值放大采用软件形式，精码sinθ、cosθ、sinθ'、cosθ'放大后消除了偶次谐波和共模量，信号质量好，提高了精码译码的准确性。新旧型数据处理电路性能比较如表1所示。

5结束语

光电编码器篇4

1.1通过设计Mach-Zehnder调制器的偏置电压可以产生强度和相位调制信号及RZ信号。其工作原理是利用两个平行偏振的调相波合成实现调制功能[2]，其结构如图1所示。在LiNbO3衬底上制造一对平行的条形波导，波导两端各连接一个分支波导，构成调制臂，条形波导的中间和两侧各有一对表面电极。输入的光信号分成两束，分别进入Mach-Zehnder调制器的两个调制臂，对两个调制臂施加电压后，波导的折射率随电压大小而变化，引起附加相移，使得两束光在输出端发生干涉。通过控制施加在调制臂上的电压大小即可实现对光信号的调制。Mach-Zehnder调制器的调制公式如下。式中，Vπ代表调制器工作时光强由最大变为最小所需的开关电压，又称为半波电压。

1.2NRZ码与RZ码光信号的码型分为非归零码和归零码2种。NRZ是占空比为100%的码型，通过对半导体激光器的外调制或直接调制即可产生NRZ码，实现简单。但NRZ码受光纤非线性效应的影响较大，带宽受器件特性的限制，在接收端容易出现误码，仅适于在低速率、短距离的系统中使用。目前，NRZ在光接入网和城域网中应用较为广泛。NRZ码的产生过程如图2所示。RZ码是指占空比小于100%的码型，与NRZ码相比，具有更大的非线性容忍度。根据占空比的不同，RZ码型又可以分为占空比为33%的RZ33、占空比为50%的RZ50及占空比为67%的RZ67。RZ67信号由于抑制了载波，又称载波抑制的归零码（CSRZ：carrier-suppressedreturn-to-zero）。目前，有两种方法产生RZ信号：一种是通过对归零脉冲源与信号的同步来产生RZ信号；另一种是产生NRZ信号后对其进行切割。第二种方法成本较低，且能够产生各种占空比的归零信号，因而应用较为广泛。RZ码由于信号占空比小，脉宽窄，在高速时分复用系统中有很大的优势。图3是RZ码的产生过程。NRZ码频谱宽度较窄，适用于WDM系统。RZ码在一个比特周期内的脉冲宽度较窄，平均光功率低，因而受非线性效应的影响较小，另外对偏振模色散（PMD：polarizationmodedispersion）的容忍度较好，适用于长距离传输系统。

2强度调制技术

强度调制技术采用光信号的振幅作为调制对象，即用有光信号通过代表二进制码元‘1’，无光信号通过代表二进制码元‘0’，因此又称为开关键控（OOK：on-offkeying）调制格式。在发射端，通过强度调制器将电数据信号加载到光载波上，形成强度调制信号。OOK信号有2种生方案：1）采用内调制技术，利用电信号改变激光二极管的注入电流来实现有无光信号的输出，生成‘0’码和‘1’码。2）采用外调制技术，利用电吸收调制器或Mach-Zehnder调制器产生强度调制信号。在接收端，采用直接检测的方案，利用光电探测器将光信号转变成电信号进行抽样判决。设定判决阈值为‘1’码光信号强度的一半，抽样时刻电信号强度大于阈值则判为‘1’码，否则判为‘0’码，从而还原出数据信号。

3相位调制技术

相位调制技术通过调制器将所需要传输的电数据信号调制到光载波的相位上，即用0相位代表二进制码元‘0’，用π相位代表二进制码元‘1’，‘0’码和‘1’码信号的强度相同。在接收端，通过Mach-Zehnder延迟干涉仪将相位信号转变为强度信号进行解调。相位调制技术在接收端普遍采用平衡检测的方式，接收机灵敏度相比强度调制信号提高了一倍，因此相位调制信号可以传输更远的距离。同时，由于接收机判决的阈值电平为零，与接收机输入的光功率无关，因而相位调制信号相比强度调制信号而言，对光功率的变化具有更高的容忍度。此外，由于光功率均匀分布在相位调制信号的每个比特中，因而使得码间串扰所导致的信号失真大大降低。这些优点，使得它在抗噪声方面优于强度调制信号，已逐步取代强度调制信号成为光纤通信系统的主要调制格式。在相位调制格式中，目前应用较广泛的是DPSK和DQPSK，实验室中已经产生了D8PSK信号。

3.1DPSK调制格式DPSK是差分编码的相位调制格式，它利用相邻码元之间的相位变化{0，π}来对载波信号进行调制。若数字信息为“0”，则前后码元的相位保持不变，；若为“1”则前后码元之间的相位差为π。电数据信号首先经过差分预编码再进行相位调制。DPSK信号的发射机和接收机结构如图4所示。在发射端，电数据信号首先经过差分预编码后加载到调制器，将激光器射出的光信号调制成具有0、π相位的信号，式①是调制后的DPSK信号表达式，其中，是预编码后的电信号：①在接收端，采用Mach-Zehnder延迟干涉仪将相位信号变成强度信号解调，延迟干涉仪的延迟时间设为一个比特周期。干涉相加和干涉相减的两路光信号，在平衡探测器中转变成电信号并相减，消去一部分噪声。最后经抽样判决，恢复出输入的数据信号。与强度调制信号不同的是，相位调制信号的判决阈值为0，即无论进入判决器的电信号强度是多少，阈值始终不变，降低了光信号强度扰动对接收机的影响。与OOK信号相比，DPSK具有相同的比特率，但接收端却提高了3dB的灵敏度，在相同的输入功率下可以传输更远的距离。

3.2DQPSK调制格式DPSK调制格式中每个符号仅能携带一个比特，近年来，DQPSK调制格式由于有2bit的容量而逐渐成为研究的热点，并开始被商用。DQPSK又称为差分正交相位调制。与DPSK一样，DQPSK也是差分编码的相位调制格式，它用相邻码元之间的相位差承载信息，每一种相位代表2bit的信息。DQPSK系统如图5所示。输入的电数据信号首先经过串并变换，变成两路电信号，这两路电信号经过差分预编码，加载到DQPSK调制器的两臂，将光信号调制成具有上述4种相位的信号。在接收端，采用两个Mach-Zehnder延迟干涉仪将相位信号变成强度信号，再由两个平衡探测器得到两路电信号进行抽样判决。判决后的两路信号经并串变换后恢复出输入数据。与OOK、DPSK等调制格式相比，DQPSK调制格式具有较窄的频谱宽度和较高的频谱利用率。研究表明，DQPSK信号对光纤的色度色散、非线性及偏振模色散等具有较大的容忍度。

3.3D8PSK调制格式D8PSK也是差分编码的相位调制格式，它利用相邻符号间的相位差。D8PSK信号的发射机和接收机结构如图6所示。D8PSK信号可以通过在DQPSK调制器后再级联一个制深度为π/4的相位调制器产生。将预编码后的两路信号分别加载到并联的两个Mach-Zehnder调制器上，另一路信号延迟1bit后加载到π/4的相位调制器上。在接收端，需要4个Mach-Zehnder延迟干涉仪和4个平衡探测器。将延迟干涉仪的相位延迟分别设定为，前两个延迟干涉仪输出的信号经判决后得到两路信号，后两个延迟干涉仪输出的信号经判决后进行异或得到第三路信号。D8PSK调制格式与DPSK、DQPSK相比，具有更高的比特/符号率，同时非线性效应和PMD的容忍度更高。但由于预编码及调制解调方案相对复杂，目前还处于实验阶段。

4结束语

光电编码器篇5

关键词：单片机；电力控制电路；aimegao

1单片机简介

单片机具有集成度高、功能强、结构合理、抗干扰性强和指令丰富的特点，它的应用打破了传统的设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路、逻辑部件来实现的功能，现在都可通过软件来完成。atmel公司于1997年研发并推出了全新配置的、采用精简指令集risc结构的新型单片机，简称单片机。在avr家族中，atmega8是一个非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具有avr高档单片机系列的mega全部性能和特点，但由于采用了小引脚封装(为dip28和tqep/mlf32)。所以其价格仅与低档单片机相当，成为具有极高性价比、深受广大用户喜爱的单片机。

2单片机系统的硬件设计

单片机系统主要完成给定的输入，两路控制脉冲的输出，调速电压的控制信号rwm波的输出，还有对反馈脉冲的输入。具体的是单片机通过通用异步串行通讯口，接收上位机来自图像处理器的目标数据，然后单片机在其内部转化成相应的控制信号，并输出给它的下一缀，也即主电路，从而控制电机的正反转和启停。同时单片机还要完成pwm波的输出，控制斩波电路，从而控制电机两端的电压。进而控制电机的转速。当电机转动起来以后，单片机要实时检测来自光电码盘的反馈脉冲。并与目标值(给定值)相比较，决定关闭输出的时刻。

2.1单片机系统的时钟振荡电路

atmega8的xatu和xatl2引脚分别是片内振荡器的反相放大器输入、输出端。可在外部连接一个石英晶体或陶瓷振荡器，组成系统的时钟源。无论外接使用的是石英晶体还是陶瓷振荡器，电容cl和c2的值总是相等的。本系统中电容c1，c2的值选择为30pf。其中，+5v的电源接到了单片机的电源输入端。同时单片机的电源输入端还外接了一个电容。然后接地，这样设计的目的是为了防止外接干扰信号对单片机的电源产生影响，因为电源电压的波动会影响到单片机输出口输出的高电平的电压大小，也就影响了单片机输出的控制信号，从而影响到后级电路。这样设计也是硬件可靠设计的一个方面。

2.2单片机复位电路

单片机的复位方式有上电复位和手动按键复位2种。复位电路中的电阻。电容数值的设置，是为了确保引rst脚至少保持z个机器周期的高电平而完成复位过程。工作原理，上电瞬间，rst端电压与vcc相同，随着充电电流的减少。rst端的电位逐渐下降。只要rst端有足够长的时间的电压在阂值以上就可以复位。

3电机位置检测电路设计方案

对电动机的控制可以分为开环系统和闭环系统两大类。开环系统比较简单，能够满足一般的控制要求，闭环系统则用于精度控制的要求。

由于本系统工作的环境范围只是在一个有限的，且相对很小的空间里，所以对电机转过的圈数(确切地说是电机实际角位移量)的精度要求比较高。实现对这些物理量的精确控制，就必须通过精度较高的检测传感器对这些物理进行检测，将检测的结果转换成数字量，反馈给单片机，通过单片机对这些数进行处理，处理的结果作为控制量对电机进行控制，从而实现了闭环控制。在本系统中，对电机位置的检测，可以说是系统的一个非常重要的环节，因为它直接决定电机的实际转数。确切的说。电机的实际转数又决定了执行器件也即摄像头的位置。也就是本系统二维定位的中心环节。所以如何设计电机位置检测与反馈环节，是本文的一个重点。

4自制光电码盘

基于对电动机角位移要求较高的设甘要求，控制系统必须是个闭环控制系统。以满足系统的整体设计要求。但是如何对电动机实际角位移进行实时检测，并把检测到的实际角位移量反馈给单片机，这也是本次设计的一个比较重要的硬件设计。在此情况下自制的光电码盘便应运而生。

4.1光电码盘的制作

光电编码盘角度检测传感器是一种广泛应用的编码式数字传感器，它将测得的角位移转换为脉冲形式的数字信号输出。光电编码盘角度检测传感器可分为两种绝对式光电编码盘和增量式光电编码盘。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制葛莱码方式进行光电转换的。绝对式缩码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光，不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。

本系统采用的是增量式光电编码盘，当轴旋转时，在码盘的两侧分别安装光源和光敏元件，当码盘转动时。光源经过透光和不透光区域，相应地，每条码道将有一系列不规则脉冲信号从光敏元件输出。这样码道上有多少缝晾。当码盘旋转一圈时，就会有多少个这种不规则脉冲输出。电动机转子所转过的角度即可通过自制的光电编码盘检测到，并以脉冲的形式反馈给单片机，在单片机中一记录下来。以便我们进行更为精确的位置计算。

4.2光电码盘系统的原理

穿插在光电传感器中间的，表示的码盘的一部分，码盘中间一段颜色较浅的部分表示的是码盘上的孔。发光二极管发出的光可以透过码盘上的孔照射到光敏三极管的基极。光敏三极管基极接收到光信号，之后导通，输出电压信号。这样当电机带动码盘旋转时，当码盘转到圆孔时则透光，光敏三极管可以接收到信号，光电传感器的输出端便有电压信号输出，当码盘旋转到它不透光的部位，也就是没有孔的地方。对准光电传感器时，光敏三极管就收不到光信号，因而输出端没有电压信号输出。

5整形电路设计

由于光电码盘的输出要与单片机相连，单片机t/co的时钟源外部输入引脚与此相连。这样相连的目的是通过单片机的计数器来计数，确定电机的实际位置的。也就是说光电码盘的输出要触发单片机t/co计数，这就要求触发脉冲要有足够陡的上升沿，此波形并不是标准的脉冲信号，它的上升沿坡度很大，为了得到足够陡的前沿脉冲信号，需要对上述光电码盘输出的信号进行整形。已得到较理想的脉冲信号，触发计数，因此需要设计整形电路。

整形电路的设计思路是这样的，让上述输出的电压跟一个定值相比较，如果电压大于定值了，就表示这是一个可靠的脉冲，计数器可以计数(加1)，这样不仅可以得到前沿足够陡的脉冲信号，还可以防止小的干扰信号让计数器t/co误计数。减小出现计数出错的现象的概率。增加了系统整体可靠性。在实际应用电路中比较器选用的是集成器件lm339，它是一个内部集成了4个比较器的集成芯片，由于lm339内部输出端没有上拉电阻，所以在外接电路中需要接上这个上拉电阻。

光电编码器篇6

关键词：光电编码器；4倍频；方向判别；FPGA

中图分类号：TM41文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)1917503

AngleMeasurementCircuitDesignforMulti-channelIncremental

PhotoelectricEncoderBasedonFPGA

FENGXi1,2，LIANGYanbing1，ZHANGTao1,2

(1.Xi′anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofSciences,Xi′an,710119China;

2.GraduateSchool,ChineseAcademyofSciences,Beijing,100039,China)

Abstract：

Adesignschemeofanglemeasurementcircuitformulti-clannelincrementalencoderbasedonFPGAisinteroduced,whichiscomposedof4multiplefrequency,direction-judgmentandcountercircuit.Thecircuitproduces12bitdigitalsignalsforanglesandonesignalfordirection.ThedesigniscompletedinAltiumDesigner6.0withbothschematicdocumentandVHDLprogramasinput.ThesimulationisbasedonchipXC25300E-6PQ208CofXilinxCompany.Thedesigncanmeetthehighspeedrotationrequirements,whichcanbevalidatedthroughthesimulationwaveformsandexperimentresults,itisfeasible.

Keywords：photoelectricencoder;4multiplefrequency;direction-judgment;FPGA

1引言

光电编码器是一种高精度的角位置测量传感器。它是由高精度计量圆光栅盘和光电检测装置组成，其原理示意图如图1所示。当电动机旋转时，光栅盘与电动机一起旋转，光敏元件接受透过光栅的光，通过光电转换，将输入的角位置信息转换成相应的数字脉冲，并可与计算机或其他显示装置相连接，实现数字测量与数字控制。目前光电编码器已经普遍应用在雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、机器人、数控机床和高精度闭环调速系统等诸多领域［1］。

通常，根据形成脉冲代码的方式不同，光电编码器分为绝对式和增量式两大类，二者最大的区别在于码盘。绝对式光电编码器一般采用二进制码盘，如图2所示。码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成。每一分辨率区间对应惟一的二进制数。它具有可以直接读出角度、没有累计误差、电源切除后位置信息不丢失、固定零点、抗干扰能力强的优点。但码盘的制造工艺复杂，精度越高需要越复杂的码盘，不易实现小型化。增量式光电编码器的码盘如图3所示，其刻线间距均一，对应每一个分辨率区间，可输出一个增量脉冲，因此，增量式光电编码器输出的是A、B、Z三列脉冲，其中A、B两列脉冲占空比为1∶1，相位相差90°，用来实现鉴相和计数；Z是复位脉冲，每旋转一圈出现一个脉冲，作为清零信号。对输出脉冲设计辅助计数和接口电路便可以实现位置的测量。增量式编码器的优点是易于实现小型化，响应迅速，结构简单。

本文介绍一种新的数字电路实现方法，完成增量式光电编码器的角位置测量。该电路完成4倍频、鉴相和计数功能，计数模块使用单脉冲，与其他采用双脉冲计数［4］有所不同，具有不丢步、工作状态稳定、适用于电机高转速下测角的良好特性。

2数字电路框图

由于高转速时输出的A、B脉冲会很密集，如果用微处理器计数需要多次中断，效率较低且容易漏计，故适宜使用数字电路实现；同时考虑到设计需要对三路测角输入进行处理，采用FPGA实现会更快速稳定、集成度高，且使设计容易模块化和移植；并且，FPGA能够提供统一的时钟clk，不仅可以使得倍频的延迟时间（即计数时钟cp）具有相同的宽度，而且能够同步整个电路。因此基于FPGA设计是个很好的选择。

电路的输入是三组脉冲信号，每一组的处理方法相同，这里只介绍其中一组。总体功能框图如图4所示。

3数字电路的各功能模块介绍

3.14倍频电路

A、B脉冲的频率与电机转速相关，是时刻在变的，所以采用锁相环电路进行倍频复杂费时，可以用更简单的方法，即在A和B的上升沿和下降沿均产生脉冲，实现4倍频。基本原理是延迟同一信号取反后所得信号与原信号相异或，波形图如图5所示，倍频电路原理图如图6所示。由于延迟采用统一时钟控制，和以往采用R、C延迟相比，脉冲宽度可以取得一致。

3.2鉴相电路

当A超前B90°相位时，电机正转，输出高电平；当B超前A90°相位时，电机反转，输出低电平。波形图如图7所示，对应的电路原理图如图8所示。输出信号updn除作为计数器加减功能的判断信号外，也可单独引出来作为他用。

从波形图中可以看出，转换方向后的第一个c上升沿触发时仍在做加运算，第二个c上升沿触发时正常。由于用作计数的cp是在上升沿有效，cp上升沿对应c的下降沿，因此第二个cp以后都是做减运算；同理，从反转到正转时，第一个cp是做减运算，第二个cp以后都做加运算。这样来回改变转向的情况下，二者相抵消，不影响位置的确定。

3.3计数电路

光电编码器是1000线，4倍频后一圈有4000个cp，精度为0.09°，输出位置信号为12位。电路设计是在AltiumDesigner6.0下采用原理图和VHDL编程混合输入，编译仿真完成的。计数部分使用3个同步置数的16进制加、减计数器级联。原理图如图9所示。需要指出：计数范围是0～3999。遇到清零z信号后，当正向转动时，置数0，反向转动时，置数为3999＝（111110011111）2。因此置数端信号可以从updn信号引过来即:D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0=(/updn/updn/updn/updn/updnupdnupdn/updn/updn/updn/updn/updn)。

3.4锁存电路与输出

计数模块输出的位置数据要先存入锁存器，再向外传输，以保证读出数据稳定，避免时序错误。锁存器是由VHDL语言描述的同步时钟锁存器［3］。读取数据后可以使用数码管显示或者直接采用标准RS232协议串行输出给上位机。使用数码管显示时，要将计数信号转化为相应的实际角度二进制信号再交给数码管显示。

4仿真验证

仿真的clk周期取2ns，A、B信号周期取40ns。在实际中，3000转/分的高速度，使用1000线的码盘，4倍频，电路所需clk是1MHz，FPGA提供的时钟远远高于这个需要。仿真基于的器件是Xilinx公司Spartan2EXC25300E-6PQ208C。仿真中设计了三种情况的测试平台，仿真结果如图10所示。

5结语

基于FPGA设计光电编码器信号处理模块，电路简单，功能实现快速稳定。从软件环境下的仿真波形到实验检测可以看出，本文提出的数字电路设计方案满足

电机高速转动条件下实时准确处理的要求，可以应用在实际系统中。

参考文献

［1］董莉莉，熊经武，万秋华.光电轴角编码器的发展动态［J］.光学精密工程，2000，8(2)：198-202.

［2］闫胜利，袁芳革.AltiumDesigner6.0FPGA设计教程［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［3］叶东，周志炜，张飚，等.基于FPGA的多路光电编码器数据采集系统［J］.传感器与微系统，2006，25(5)：45-47.

［4］葛一楠，杨显富.基于CPLD的光电脉冲码盘信号四倍频电路设计［J］.成都大学学报:自然科学版，2004，23(3)：34-37.

［5］候伯亨，顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1997.