基于AD2S83旋变反馈转光电编码器反馈的应用

唐智鹏

摘 要：旋变数字转换器AD2S83是AD公司早几年前推出的产品，在国内外应用较为广泛；文中介绍了旋变数字转换器AD2S83及光电编码器的基本工作原理，给出了旋转变压器反馈转增量式编码器反馈的实际应用电路，结合实时编码器反馈波形及旋变反馈转光电编码器反馈的特点，得到该种反馈方式可行性，其在实际工作中的应用领域。

关键词：AD2S83；旋转变压器反馈；光电编码器反馈；位置闭环环

1 AD2S83芯片介绍

AD2S83利用比率跟踪转换方法将旋变格式输入信号转换为并行自然二进制数字字。这样，当转换器远离旋变器放置时，可以确保具有高抗扰度，并且支持长引线。10、12、14或16位输出字处于三态数字逻辑状态，并通过16路输出数据线以2字节形式提供。BYTE SELECT、ENABLE和引脚确保可轻松地将数据传输至8和16位数据总线，而提供的输出则可通过外部计数器进行周期或俯仰计数。该器件还可以提供与速度成比例的模拟信号，可用于取代转速传感器；工作基准频率范围为50Hz至20，000Hz。

2 编码器工作原理

2.1 编码器输出信号

通常情况下编码器的输出波形如图2所示。当编码器动作时将产生A、B两栩脉冲信号。且A、B两相信号的波形完全相同.仅是存在90°相位差。编码器的运动方向分为正负两个方向：正方向运动时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90°；负方向运动脉冲信号A的相位滞后脉冲信号B的相位90°。

2.2 鉴相及四倍频计数原理

鉴相及四倍频计数原理图如图3所示，在编码器单方向运动过程中，每个周期A、B两相信号总存在四次电平状态的改变；并且A、B两相电平状态改变的顺序总为：10一11一0l—00—lO；因此，在一个周期的信号中可根据A、B两相的4种电平状态的顺序变化对位置脉冲进行细分计数及四倍频计数；同时，根据A、B两相电平的变化顺序来判断编码器的运动方向；可得到四倍频计数脉冲与方向脉冲如图4所示。

3 旋转反馈转光电编码器反馈的实现

3.1 总体方案

方案的总体框图如图4所示，采用分辨率可变的旋变数字转换器AD2S83，作为旋转变压器信号的解码器，可将模拟量的旋变信号转换成1～15位的计数脉冲及方向信号。

AD2S83的分辨率可以选为10、12、14或16位，可以选择各种应用的最优分辨率来使用AD2S83；如果AD2S83的分辨率选择10位时，那么计数脉冲可依据需要选择AD2S83的DB1～DB10其中任一输出，DB1～DB10的输出计数脉冲个数为2^0～2^（10-1），DB11～DB16无输出；依次类推，当分辨率选择16位时，计数脉冲可选择AD2S83的DB1～DB16其中任一输出，DB1～DB16的输出计数脉冲个数为2^0～2^（16-1）。

AD2S83最大计数脉冲个数为32768（转动一圈），相当于一个8192线的光电编码器四倍频后的脉冲个数，AD2S83分辨率、速率及计数脉冲对照表如表1所示；AD2S83解码输出的计数脉冲与方向信号，用来取代光电编码器鉴相及四倍频后得到的计数脉冲与方向脉冲。

3.2 硬件电路

该硬件电路框图如图5所示，电路中AD2S83使用的分辨率为14位，跟踪转速最高达65转/秒（3，900 rpm）。

AD2S83的第2、4、7引脚分别接入单端的激磁信号、余弦信号、正弦信号，作为旋转变压器反馈的输入信号；AD2S83经过解码后，第41引脚VCO O/P信号，为输入旋转变压器信号的实时速度模拟电压（-8VDC～+8VDC）；第37引脚DIRECTION信号，为输入旋转变压器信号的实时方向（0VDC或5VDC即代表输入旋变信号逆转或顺转），用来替代光电编码器鉴相及四倍频后的方向脉冲信号；第23引脚DB14信号，为输入旋转变压器信号的实时速度脉冲信号（包含实时位置信息），用来替代光电编码器鉴相及四倍频后的计数脉冲信号。

3.3 实时编码器反馈波形及速率计算

采用图5硬件电路，作为高精度伺服驱动系统的反馈硬件电路，与伺服电机组成速度闭环控制系统后；在一固定的转速下，用示波器分别监测图5中的方向信号与计数脉冲信号，分别得到顺转时的方向信号及计数脉冲波形、逆转时的方向信号及计数脉冲波形，如图6、图7所示。

图6、图7中，示波器1通道是计数脉冲信号；示波器2通道是方向信号，高电平为顺转，低电平为逆转。用图6中的方向信号及计数脉冲信号计算实时转速，计算如下：

每一秒的脈冲个数：

4、旋转反馈转光电编码器反馈的意义

旋转反馈转光电编码器反馈，既具备了旋转变压器的优点，又具备了光电编码器的优点；其特点如下：

◇耐振动冲击能力强、抗干扰能力好，具有很高的可靠性；

◇抗污染能力强，能应用在各种恶劣环境中，具有防尘、防油、防敲击等特点；

◇灵敏度高、稳定性好，响应速度快；

◇分辨率高，可根据设备的精度要求选择不同分辨率。

鉴于旋变反馈转光电编码器反馈以上的特点；可应用于工作环境恶劣、高精度要求又高的伺服系统控制场合，比如应用于高精度及大中型数控系统、机器人控制、工业控制、转台控制、武器火力控制、雷达控制及惯性导航领域中。

5、 结束语

旋变反馈转光电编码器反馈，只不过是伺服控制系统反馈中一种方式；该种反馈方式，可以根据需要选择分辨率，以满足不同控制精度的需求；而且用该种反馈方式，作为伺服驱动器的反馈部分，在速度闭环、位置闭环后，能够极大的提高伺服驱动器的控制精度；实际使用该种反馈方式的位置闭环伺服驱动器已经在转台控制、工业控制领域得到了应用。

参考文献

[1] Aanlog Devices Inc..AD2S83 Datasheet[DB/OL].[2000-10-04].http：//www.analog.com

[2] 代杰，樊瑜瑾，张学丽，孙宏德. 基于单片机的光电编码器位置检测系统设计[J]. 计算机测量与控制，2011.19（1）：1671—4598