高精度增量式光电编码器信号处理系统

汪雨冰, 王 睿, 于永江, 杨 罕

(吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012)

0 引 言

光电轴角编码器, 又称光电角位置传感器, 是一种集光、 机、 电为一体的精密数字测角装置。它以高精度计量圆光栅为检测元件, 通过光电转换, 将角位置信息转换成数字代码。其具有精度高、 测量范围广、 体积小、 重量轻、 使用可靠和易于维护等优点, 被广泛应用于雷达、 机器人、 光电经纬仪和数控机床等诸多领域[1-6]。

增量式编码器不同于绝对式编码器, 其码盘的刻线间隔均一, 对应每个分辨率区间, 输出一个增量脉冲方波[7], 具有结构简单, 易于实现小型化等优点。由于增量式编码器的这些特点, 一般并不使用增量式编码器进行角度测量, 而用作伺服系统的速度反馈元件。因此增量式编码器的输出方波信号的精度对伺服系统尤其重要。

笔者在分析了增量式光电编码器输出精度对伺服系统的影响后, 提出一种高精度增量式光电编码器的设计方法。该编码器码盘一周刻划3 240线, 数据处理系统完成对莫尔条纹信号的10倍准确细分。经实际检测, 所设计编码器正交性偏差优于10%, 均匀性偏差优于15%, 极大地减小了应用增量式编码器时伺服系统的抖动, 有利于提高伺服控制系统的控制精度。

1 增量式光电编码器原理

增量式光电编码器原理图如图1所示。包括发光管、 光栅码盘、 狭缝和光电接收元件。其中, 光栅码盘和狭缝组成一对光栅副, 主轴带动光栅码盘, 与狭缝形成相对运动。发光管发出的光, 透过相对运动的光栅副, 形成莫尔条纹信号。光电接收元件将莫尔条纹光信号转换为电信号, 进而实现角度测量[8,9]。

图1 编码器原理图Fig.1 Principle of encoder

在狭缝上, 采用裂相方案获得4路相位相差1/4周期的莫尔条纹信号

其中C1～C4分别是4路信号直流偏移量[10,11],A1～A4分别是4路信号的幅值。通过对式(1)的运算可实现倍频, 进而提高编码器的分辨率和精度。

2 增量编码器输出精度原理

2.1 输出信号精度对伺服控制系统的影响

增量式编码器输出的两路信号分别为M和N。理想状态下,M、N两路信号是标准正交的, 即M、N两路信号的周期相同, 相位相差1/4周期。编码器旋转360°时, 将输出多个周期的方波信号, 其方波信号的脉冲数决定了编码器的分辨率。通过对方波信号脉冲的累加计数, 可得当前所转过的角度位置。当作为测速反馈元件时, 伺服控制系统通过测量编码器信号的脉冲宽度得到当前的转速。编码器所输出的M、N方波信号如图2所示。

计数时, 在方波M的边沿位置判断信号N的电平, 可得当前编码器的转动方向。将M与N异或后, 通过测量M⊕N信号的脉宽, 可得当前的转速。

若信号M、N偏离标准正交方波, 则会造成对当前速度的测量不准, 使伺服系统出现严重抖动。

2.2 增量式编码器误差评估原理

对增量式编码器信号误差的评估, 主要采用对比临近两脉宽宽度的方法[12]。在评定同一路信号相邻两个脉宽的占空比误差时, 笔者使用均匀性偏差； 在评定两路信号相位的偏移程度时, 用均匀性偏差表示。增量式编码器输出信号如图3所示。

图2 增量式编码器输出信号测速方法 图3 增量式编码器输出信号波形图 Fig.2 The method of velocity measurement by using output signal Fig.3 The output waveform of incremental encoder

图3中,T1、T2分别是方波信号M中相邻两个周期的波峰持续时间；T3、T4是方波信号N波谷分别与方波信号M的波峰和波谷交错的持续时间, 则编码器转动的均匀性偏差为

正交性偏差为

一般情况下,J与Y不随转速的减小或增加而变化。通常, 在编码器旋转一周内,J和Y的最大百分比即为正交性和均匀性的测试数值, 并以此衡量增量式编码器的输出精度。

3 数据处理系统设计

3.1 传统数据处理系统分析

传统的编码器数据处理系统主要分为两种： 采用A/D芯片完成细分的软件细分方法和采用移相电阻链细分的硬件细分方法。

软件细分方法具有电路板体积小、 细分精度高、 使用灵活等优点。但由于软件细分具有数据处理延时, 在编码器高速转动时将不能及时响应。

硬件细分主要采用移相电阻链方式实现倍频细分。移相电阻链细分方式几乎不存在数据处理延迟, 但是该细分方法每提高一个细分分辨率, 硬件数量就增加一倍, 而且调试过程及其繁琐。

3.2 高精度数据处理系统原理

为保证编码器输出的实时性, 笔者设计了高精度数据处理系统, 其原理图如图4所示。

图4 数据处理电路原理图Fig.4 The schematic of data procession

所设计的光电编码器工作时, 主轴带动码盘转动, 发光管发出的光透过光栅副形成莫尔条纹光信号； 光信号经读数头中接收管的接收变成4路相位相差π/4的莫尔条纹光电信号。受电路参数、 光照强度等原因影响, 莫尔条纹信号必须经过调节电路调节, 使4路信号的幅值大小相同。然后进入放大电路, 经过差分放大获得细分信号。根据式(1), 差分后的信号为

其中A是两路细分信号的幅值,C是其直流偏移量。

细分电路将根据式(4)中的信号进行细分运算。设n为细分分辨率, 则信号每转过一个360°/n角度, 就产生一个周期的细分脉冲； 最终对细分脉冲的上升沿计数得到信号M, 下降沿计数得到信号N。

3.3 处理系统的设计

图5 单路放大电路图Fig.5 Single amplify circuit

随着科学的发展, 集成芯片技术的进步, 许多繁琐的工作都可集成在一个小芯片中实现。笔者采用德国GEMAC公司生产的芯片GC_AIP40设计电路。GC-AIP40芯片为一款硬件细分芯片, 其内部具有信号差分放大功能和输入信号幅值调节功能。根据芯片手册, 该芯片最高可实现40倍频。

由光电编码器接收管接收到的原始信号相位分别相差90°, 如式(1)中的u1～u44路信号经调节电路调节后, 进入放大电路进行差分放大, 单路放大电路图如图5所示。

经放大处理后的信号进入GC-AIP40芯电路, 其最小系统图如图6所示。

图6 GC-AIP40最小系统图Fig.6 Minimum system diagram of GC-AIP40

图6中, 视窗引脚SMON和CMON可观察输入信号sinθ和cosθ的幅度。经过芯片处理, 即可输出10倍频的正交方波信号M和N。

3.4 安装调试

图7 码盘(狭缝)安装调试Fig.7 The installation and debugging of code disk(slit)

为保证输出精度, 需要保证输入信号sinθ和cosθ的相位和幅度处于理想位置。sinθ和cosθ的相位受码盘和狭缝的安装影响较大。为此, 笔者在安装调试高精度编码器时, 采用显微镜观测码盘, 使码盘旋转一周时, 所有刻线都在同一半径内, 保证码盘的偏心度。安装调试码盘方式如图7所示。

同时, 通过调节图5中放大器的放大倍数, 使输入信号sinθ和cosθ的幅度相同。

通过以上方法调节所设计编码器, 进而保证其输出精度。

4 检测实验

利用泰克公司生产的TDS2014B型100 MHz数字示波器对增量式光电编码器输出的两路信号精度进行检测。用示波器锁定10个左右周期的编码器输出的方波信号。示波器锁定信号后, 通过观察, 选择这几个周期信号中T1与T2宽度相差最大的一个周期, 并测量其T1、T2和T3、T4时间宽度。定格示波器采集的波形图如图8所示。

图8 检测结果示意图Fig.8 The detection result

图8中两条竖线所标示的周期, 是经多次测量发现T1与T2宽度相差最大的一个周期。经示波器测量, 得

将式(5)代入式(2)、 式(3)得当前测得编码器均匀性偏差为J=19.7%, 正交性偏差为Y=12.5%。根据以往伺服系统应用需要, 当均匀性偏差小于20%, 正交性偏差小于15%时, 伺服系统可正常工作。因此, 笔者的检测结果优于使用指标, 满足使用要求。

5 结 语

笔者设计的高精度增量式光电编码器数据处理电路应用于外径为90 mm, 码盘一周刻划3 240线的编码器中, 完成了对莫尔条纹信号的40倍准确细分。经过检测, 输出精度正交性偏差小于15%, 均匀性偏差小于20%。极大地减小了伺服系统的抖动。笔者还将进一步研究减少正交性和均匀性偏差的方法, 以提高增量式编码器输出精度。