基于FPGA高精度磁编码器抖动干扰的编码技术

陈慧

摘要

我们对本题目的研究，首先是从增量式光电编码器开始分析，根据增量式光电编码器的基本工作原理以及传统的一种正交编码脉冲电路的工作原理。可以推出增量式光电编码器抖动时候所产生的抖动的具体原因。从我们得出的结果可以得出正交编码脉冲电路在某些时候会对我们的系统产生错误的计数。文中提及可以利用一种基于FPGA的编码器优化装置，去编码抖动干扰的编码电路去代替之前的正交编码脉冲电路，然后验证这种优化的正确性。

【关键词】增量式光电编码器 抖动干扰 FPGA

随着现代化技术的在电子技术方面的一系列成就以及制造工艺的大幅度提高。交流电机的技术已经十分纯熟，并且在工业领域的运用越来越广泛。而且交流电机的系统一般采用磁场定向矢量控制。我们通常采用转子的磁极和矢量控制两方面的反馈数据。进而控制电机电流的波形、相位和频率。这样就能够确定定子与转子的相互对相应关系。使电动机产生恒定的电磁转矩，所以磁极的位置的精确检测是一个至关重要的数据。现代化的磁极检测单元各式各样，我们时长用到的是旋转式的变压器和、绝对编码式和增量编码式的。从实用性和合理性的观点去考虑增量式编码器由于其价格较低、抗干扰能力比较强，而且它能检测到的是在某个时间段范围内的一个增量值。所以就选择增量式编码器，并以此为基础研究如何才能把他们的抖动量降到最低状态。

1 增量式编码器的特点

按照增量式编码器的类型划分可以分为增量式和绝对式两类。

增量式编码器的基本运转形式是将位移信号经过装置转换成某周期性的电信号，然后我们可以通过对电信号做出一系列的处理，转换成我们需要的脉冲信号，通过对脉冲信号的合理的处理以脉冲信号的个数记录旋转过的位移大小。而绝对式编码器与这种原理大不相同，它是把码盘上刻有数字，因此在测量绝对式编码器的示值的时候我们只需要看初始位置。通过判向电路和计数器可以准确的判断增量式编码器转轴旋转方向和脉冲数量的增减。在设置起点的时候没有特定的要求，可以设置任一点为起点。在测量多圈时结果是把圈数相加得到测量的值。通常在寻找机械参考零点时，为了计算方便可以把脉冲信号的发射点作为一个参考点。在实验进行时编码器轴转动360度我们就会接到一个脉冲量，通过对光栅的线数的检查脉冲数可以记录旋转了多少圈。当我们需要更高精度时，就需要对它的分辨率进行调整。主要方法有两种：一是对其相位差相隔一定的角度，二是更换装置来提高编码器的分辨率。

2 增量式编码器的工作原理

增量式编码器的主要组成件是由：光源、码盘、光敏元件、放大整形、脉冲输出等几个部分。

编码器在码盘上以不同的半径开出三个码道，我们以半径的大小从内到外分别定义为X、Y、Z。而在内圈A、B码盘的开出等距离的缝隙，为了计脉冲数和鉴别相位这些缝隙有一半是透明而另一半是不透明的，且透明与不透明相间，而且会在码盘上布满各种计数原件的传感器和光敏元件的传感器。当工作轴转动时，码盘也会随着其进行转动，在实际运行过程中A玛道使用来计数而B码道是用来确定相位，为了区分脉冲个数和相位我们把A、B相差60度，通过他们的相位和脉冲可以判断出他们的悬向。当顺时针转动时脉冲A超前脉冲B，反转时脉冲B超前脉冲A。Z的作用就是在实际中对A进行清零操作，以免会出现误计数现象。

3 编码器抖动干扰产生原理

在理论上编码器是没有收到任何抖动或者是干扰的，而且只有在没有外界干扰的时候使用正交编码器，在对模拟电路脉冲信号进行计数时候，才不会出现任何错误。但是在实际应用中，没有在理论中的那样的情况，总会出现这样或者是那样的干扰。例如在实际的一个应用中调速系统和电机在工作时候都会不可避免的出现抖动。而如果这种抖动被反映在编码器上，就是透光部分出现波动，这样的情况下我们所得到的脉冲就不可能是一个正交脉冲列，导致计数错误的现象。

4 基于FPGA抖动干扰设计

经过各种数据分析和对比实验我们可以得出的结论就是机械方面的震动和来自环境方面的干扰。因此去解决我们所面临的震动和环境的干扰是抖动设计的关键部分。为了解决这个问题我们的思路可以针对脉冲的上升沿和下降沿这两个部分。可以假设当一个脉冲处于干扰的情况下是上升沿（下降沿），这样另一个脉冲是正常传播到设备上的。所以我们就可以利用这种特性分别进行正向和反向的脉冲进行计数，以保证计数的准确性。

在光电编码正常运转的情况下，我们可以得到一段机械抖动干扰的脉冲，我们可以对其中的一个脉冲取反，得到一个新的脉冲（为了方便记录我们把它称为脉冲a），然后取a的下降沿部分与另一个脉冲相与。产生正、反向计数器的脉冲a交另一个计数器的脉冲。由此可得，当干扰脉冲使得正向计数器产生误记脉冲时，同时也能在反向计数器产生误记脉冲。当我们采用可逆的脉冲计数器时，可使干扰所产生的增计数脉冲和减计数脉冲相等。因此在计数时增减的脉冲信号可以相互抵消。从而消除抖动脉冲的干扰影响。

5 结论

通过基于FPGA高精度磁编码器抖动干扰的高精度编码技术我可以从中发现不但消除了抖动和各种外界干扰所产生的误计数现象。还可以实现计数脉冲的倍频，从而进一步减小了计数误差，这对于我们在现实中的应用又是一个巨大的进步。

参考文献

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