光电码盘四倍频分析

2006-05-07 15:49:33来源: 电子技术应用

通常,光电码盘分为绝对式和增量式两种。绝对式码盘在任意位置都可给出与位置相对应的数字转角输出量,不存在四倍频的问题。增量式码盘是根据轴所转过的角度,输出一系列脉冲,并通过计数电路,对脉冲进行累计计数,得到相对角位移。由于单个绝对码盘的角位移的测量范围仅为0°~360°,需多个码盘才能测量大于360°的角位移,从而提高了系统的价格和复杂程度;而增量式码盘转角测量范围只受计数电路的位数限制,结构简单,价格较低,因此得到广泛应用。本文提到的光电码盘,都是指增量式码盘。

    在实际应用中,通常采用四倍频的方法以提高光电码盘的定位精度。因此,结构简单、性能稳定、运行可靠的四倍频电路,是电机伺服电路的一个重要组成部分。通常,光电码盘的四倍频电路与判向电路设计为一个整体,故又统称为四倍频及判向电路。能够实现四倍频的电路结构很多,但我们在应用中发现,由于某些四倍频电路的精度或稳定性不高,从而使加入四倍频电路后,精度本应得到提高的系统,整体性能反而下降,从而使系统无法达到设计要求[2]。为此,我们在分析几种常见四倍频电路的基础上,针对不同的应用,设计了两种不同的电路实现方案。下面,对四倍频电路的设计原理及两种方案的结构和使用方法进行讨论。

1 四倍频电路设计原理

    光电码盘的典型输出为两个相位差为90°的方波信号(A和B),以及零位脉冲信号Z(见图1)。其中,A、B两相信号的脉冲数标志码盘轴所转过的角度,A、B之间的相位关系标志码盘的转向,即当A相超前B相90°时,标志码盘正转(见图1a),当B相超前A相90°时,码盘反转(见图1b)。

    对于每个确定的码盘,其脉冲周期T对应的码盘角位移固定为θ,故其量化误差为θ/2。如果能够将A或B信号四倍频,则计数脉冲的周期将减小到T/4,量化误差下降为θ/8,从而使光电码盘的角位移测量精度提高4倍。由于伺服系统中的码盘转速具有不可预见性,造成脉冲周期T具有不确定的特点,从而无法使用锁相环等常用倍频方案。详细观察图1可以发现,在脉冲周期T内,A、B两相信号共产生了四次变化,即t1、t2时刻的上升沿和t3、t4时刻的下降沿。尽管T不确定,但由于A、B两方波信号之间相位关系确定,使这四次变化在相位上平均分布,如果利用这四次变化产生四倍频信号,则可以实现光电码盘测量精度的提高。

    四倍频后的码盘信号,需经计数器计数后,才能转化为相对位置。计数过程一般有两种实现方法:一是由可编程计数器或微处理器内部定时/计数器实现计数;二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数。当需控制的电机数量少时,前一方案附加元件少,结构简单,较为容易实现。如使用8031控制一路电机,则无需添加任何器件,利用其内部的T0及T1计数器,即可实现计数。当需控制的电机数量较多时,则采用后一种方案,利用复杂可编程逻辑器件(PLD),实现会更为简单。

    基于以上思路,根据不同的计数方案,可以设计出以下两种四倍频电路。

2 面向通用计数器的四倍频及判向电路

    在实现1~2路电机控制的情况下,使用微控制器内部通用计数器,或简单地增加可编程计数器即可实现计数。因此也要求四倍频电路结构简单,便于利用简单PLD实现集成。为此,我们采用的电路原理如图2所示。其中,74LS174为6D触发器,用于锁存A、B信号的当前状态及原状态;CP为74LS174的同步时钟,其周期至少应小于码盘脉冲最小周期的1/4;XA及XB分别为电路生成的正反向四倍频计数脉冲,其宽度等于CP的脉冲周期。该电路的逻辑表达式如下:

    由于我们主要关心该电路在输入状态变化时,其输出状态的变化情况,而且四倍频电路变化较大的也主要是输入状态,因此本文采用输入状态转换图进行电路逻辑分析(下同)。该电路的输入状态转换如图3所示。

    其中,AB表示A、B两相输入信号,XA、XB表示四倍频电路输出。从状态图可以看出,该电路不仅在输入正常的条件下能够稳定工作,而且在AB出现同时变化的输入错误状态下(输入在00←→11或01←→10之间跳变),其输出信号不会发生任何变化,这一方面显示了电路逻辑结构的严密性,另一方面也提高了抗干扰能力。图4为该电路实现四倍频及判向功能的时序图。

    从以上分析可以看出,该电路具有逻辑结构严密、不受干扰输入影响、易于实现简单PLD器件集成等特点。当前,该电路已成功应用于多种机器人控制系统中,包括人工肌肉、图像监控系统,以及分辨率达到60nm的微操作机器人等,实际应用验证了该电路的精度和稳定性。

3 面向可逆计数器的四倍频及判向电路设计

    对于多轴数控机床、机器人等需要多轴电机控制的场合,如果采用上述设计方案,往往需要增加较多的可编程计数器,造成电路元器件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降等缺点。当前,解决该问题的一个有效方案,是利用FPGA等复杂PLD器件,实现多路电机的码盘接口电路的芯片化设计,包括光码盘信号四倍频电路、判向电路及可逆计数器电路。下面,以采用FPGA实现为例,说明设计过程。

    首先,为便于使用VHDL语言描述,对码盘信号作如下分析:

    (1)当码盘正转时,码盘输出的A相信号超前B相90°,则在一个周期内,AB两相信号共有四次相对变化: (图1a);这样,如果每发生一次变化,可逆计数器便实现一次加计数,则一个周期内,共可实现四次加计数,从而实现正转状态的四倍频计数。

    (2)当码盘反转时,码盘输出的A相信号滞后B相90°,则在一个周期内,AB两相信号也有四次相对变化: (图1b);这样,如果每发生一次变化,可逆计数器便实现一次减计数,则一个周期内,共可实现四次减计数,从而实现反转状态的四倍频计数。

    (3)当线路受到干扰或出现故障时,则可能出现其他状态转换过程,此时计数器应不进行计数操作。

    综合以上分析,可以作出基于FPGA设计的码盘信号处理模块状态转换图(见图5),其中“+/-1”分别表示计数器加/减1计数,“0”表示计数器不动作。

    由该状态转换图,可以将该模块描述如下:

    Ecoderinput :process(papbclrpresetclkdbincntendb)

    begin

    if(clr='0') then

    db<=″0000000000000000″;

    prestate<=″00″;

    state<=″00″;

    elsif (clk'event and clk='1') then

    if (preset='0') then

    db<=dbin;

    elsif(cnten='0') then

    state(1)<=pa;

    state(0)<=pb;

    prestate<=state;

    if(prestate=″00″) and (state=″10″) then db<=

    db+″0000000000000001″;

    elsif (prestate=″10″) and (state=″11″) then db<=db+″0000000000000001″;

    elsif (prestate=″11″) and (state=″01″) then db<=db+″0000000000000001″;

    elsif (prestate=″01″) and (state=″00″) then db<=db+″0000000000000001″;

    elsif (prestate=″00″) and (state=″01″) then db<=db-″0000000000000001″;

    elsif (prestate=″01″) and (state=″11″) then db<=db-″0000000000000001″;

    elsif (prestate=″11″) and (state=″10″) then db<=db-″0000000000000001″;

    elsif (prestate=″10″) and (state=″00″) then db<=db-″0000000000000001″;

    else db<=db;

    end if;

    end if;

    end if;

    end process Ecoderinput;

    图6为该模块实现四倍频及判向功能的时序图。

    可以看出,利用FPGA设计码盘信号处理模块,无论是设计过程,还是电路结构,都变得更加简洁。另外,在应用中注意FPGA时钟周期应小于码盘脉冲的1/4,只是通常FPGA的时钟已经远小于码盘脉冲周期。该电路已应用于对精度、可靠性和稳定性都有很高要求的医疗外科机械臂的设计中,该机械臂已多次成功应用于临床手术,从而在实践上验证了该电路性能。

    鉴于光电码盘四倍频电路在提高电机定位精度中具有的重要作用,以上详细分析了两种面向不同计数方案的四倍频电路结构。这两种电路性能都已在实际应用中得到了验证,希望能对电机伺服电路设计提供一定的参考。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1424.html
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