江苏龙网

  1. 主页 > 生活百科 > >

设计增量式编码器的接口电路 增量式光电编码器


设计增量式编码器的接口电路 增量式光电编码器

文章插图
增量式光电编码器(设计增量式编码器的接口电路)
现场可编程逻辑阵列(FPGA)资源丰富，结构灵活，近年来发展迅速 。根据其特点，设计了基于FPGA的增量式光电编码器接口电路，实现了增量式编码器脉冲信号的倍频、鉴相和计数功能 。最后，通过仿真验证了设计的可行性 。为进一步实现高精度位置伺服控制提供了基础 。

目前，光电编码器是伺服系统中应用最广泛的传感器 。它通过光电转换将输出轴上的机械几何位移转换成脉冲或数字量 。光电编码器与电机相连，当电机转动时，带动码盘转动，然后发出转速或转角信号 。
目前，光电编码器已广泛应用于雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、机器人、数控机床、高精度闭环速度控制系统等诸多领域 。根据校准方法和信号输出形式，可分为增量式、绝对式和混合式三种 。
绝对式编码器可以在转轴的每个位置读取唯一对应的数字编码，抗干扰，断电时无需记忆 。但其制造工艺复杂，价格是增量式编码器的几倍到几十倍 。因此，在实际应用中，增量式编码器占据了主导地位 。
增量编码器的工作原理增量式编码器由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和光电转换电路组成，其原理如图1所示 。
图1增量式编码器原理图
当码盘随被测轴旋转时，检测光栅保持静止 。光线穿过码盘和探测光栅之间的间隙，照射到光电探测装置上 。光电检测装置会输出两组相差900度的差分电信号，类似正弦波 。这两组差分信号通过脉冲整形转换成普通的单端电平信号 。最后，对两个单端电平信号进行倍频、鉴相和计数，得到码盘旋转的方向和位置 。
本文旨在解决增量式编码器的倍频、鉴相和计数问题 。充分利用FPGA丰富的逻辑模块和IO模块，设计了简单的接口电路，并行输出结果供进一步运算，如图2所示 。
图2编码信号处理模块
倍频、鉴相和计数的原理分析编码盘和探测光栅有两组对应的等间距透光间隙，错开1/4节距，用于在转动过程中对光电发射和接收装置进行通断变化，使光电探测装置输出相位差为90°的信号A和B 。根据A和B的相位关系，可以判断码盘的旋转方向 。
当A相在B90o之前时，DIR(方向信号)处于高电平，电机正转；当A落后于B90o时，DIR(方向信号)为低，电机反转 。码盘信号经过计数器计数后，可以得到码盘的旋转角度，然后再转换成位置信息，计数器的加减是基于方向信号 。
同时，码盘上有一个开口，用来判断码盘的绝对位置，即码盘每转动一次就会产生一个分度信号I，有的还以I作为对准和复位信号 。如图3所示 。
图3编码器输出信号
编码器每旋转一次，A相和B相输出的脉冲数是相同的，脉冲数决定了编码器的精度 。
从图3中可以看出，在一个编码脉冲输出周期中，A和B信号具有四个转变沿 。每一次跳变都被捕捉并计数，即A在高电平时，B在上升沿加1，下降沿减1；当A为低电平时，B在下降沿减少L，在上升沿增加L；当B为高时，A在上升沿减1，在下降沿增加L；当B处于低电平时，A在上升沿增加1，在下降沿减少L 。
这样，在每个周期中，码盘正转计数四次，反转计数四次，计数脉冲数增加了四倍 。如果编码脉冲信号的量化误差为0，四倍频后的量化误差减小到/4，角位移的测量精度提高了4倍，光电编码器的分辨率也提高了4倍 。
信号四倍频设计的关键是捕捉A、B信号的上升沿和下降沿 。在本设计中，数字电路，即D触发器，被用作检测边沿变化的延迟环节 。A、B相倍频的脉宽和延迟时间由时钟(外部有源晶振提供)控制，倍频后脉宽一致，可有效克服传统RC差分或积分边沿检测电路的缺点 。
D触发器后的信号A和B的信号分别记为A1和B1 。将A1和B1作为倍频的原始信号，将消除A和B信号中尖脉冲的影响，提高系统的抗干扰性能 。A1和B1将通过D触发器并延迟一个时钟周期，这将产生A2和B2信号 。
【设计增量式编码器的接口电路 增量式光电编码器】即A2和B2分别滞后A1和B1一个时钟周期，A1和A2的相位分别滞后B1和B290o(假设此时电机反转，B1超前A190o) 。为了达到预期的目的，需要能够在一个周期内完整地捕捉到脉冲的上升沿和下降沿，也就是图4中的圆形黑点 。
从图4中虚线所示的状态可以看出，在A1和A2、B1和B2中存在一组不同的能级状态 。因此，使用三个异或门来获得信号的第四倍频的信号F4_CLK 。同时用两个与非门获得方向信号 。


推荐阅读


上一篇：练气功是伪科学吗,气功是不是伪科学-

下一篇：雕刻|项京讲堂-翡翠福瓜的寓意