光電編碼器辨向電路

1、光電編碼器速度位置的數(shù)據(jù)在電機(jī)控制中起著非常重要的作用，其檢測(cè)到的精確性能夠直接影響電機(jī)控制的精度。速度的測(cè)量方法有多種，如感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電式轉(zhuǎn)速傳感器、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器以及旋轉(zhuǎn)變壓器式轉(zhuǎn)速傳感器等。但目前調(diào)速系統(tǒng)速度以及位置反饋控制中應(yīng)用較多的為光電編碼器。光電編碼器是一種高精度的數(shù)字化檢測(cè)儀器， 是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的角位移或者角速度的測(cè)量裝置，它可以通過光電原理，將一個(gè)機(jī)械裝置的角度或者位移量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（數(shù)據(jù)串或者脈沖信號(hào)）。光電編碼器可分為絕對(duì)式和增量式兩種，其中，絕對(duì)式光電編碼器具有輸出信號(hào)與旋轉(zhuǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)，但是精度欠缺，成本高；增量式光電編碼器輸出信號(hào)為脈沖

2、信號(hào)，脈沖個(gè)數(shù)和相對(duì)旋轉(zhuǎn)位移相關(guān)，與旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置無關(guān)，成本相對(duì)于絕對(duì)式更低，并且精度高、體積小、響應(yīng)快、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。 如果預(yù)先設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)位置，則可以利用增量式編碼器完成絕對(duì)式編碼器的功能，即也可以測(cè)出旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置。實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式編碼器的功能，也即可以測(cè)出旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置。增量式光電編碼器在高分辨率、大量程角速率、位移的測(cè)量中，它更具有優(yōu)勢(shì)。因而，在這個(gè)手指康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中采用增量式光電編碼器。增量式光電編碼器主要是由機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)據(jù)掃描系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三個(gè)部分組成。其中機(jī)械系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)外殼和轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐作用。電氣系統(tǒng)的作用主要是保護(hù)、放大、抗干擾以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊?。增量式光電脈沖編碼器由光源、聚光

3、鏡、擋光板、碼盤、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成。 在光電碼盤上刻度盤上均勻分布一定數(shù)量的光柵，光擋板（檢測(cè)光柵）上刻有A、B相兩組與光電碼盤上光柵相對(duì)應(yīng)的透光縫隙。增量式光電脈沖編碼器工作時(shí)，光電碼盤隨著工作軸旋轉(zhuǎn)，但是光擋板（檢測(cè)光柵）保持不動(dòng)。有光同時(shí)透過光電碼盤和檢測(cè)光柵時(shí)，電路中產(chǎn)生邏輯“1”信號(hào)，沒有透光時(shí)產(chǎn)生邏輯“0”信號(hào)，從而產(chǎn)生了A、B兩相的脈沖信號(hào)。由于檢測(cè)光柵上的A、B相兩個(gè)透光縫隙的節(jié)距與光電碼盤上光柵的節(jié)距是一致的，并且這兩組透光縫隙錯(cuò)開四分之一的節(jié)距，從而使得最終信號(hào)處理輸出的信號(hào)存在90°的相位差。在大多數(shù)情況下，如若直接由編碼器的光電檢測(cè)器件獲取

4、信號(hào)，信號(hào)的電平較低，波形也不規(guī)則，不能適應(yīng)于信號(hào)處理、控制和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?。所以，在編碼器內(nèi)還必須將此信號(hào)放大、整形。經(jīng)過處理的輸出信號(hào)近似于正弦波或者矩形波。由于矩形波輸出信號(hào)易于進(jìn)行數(shù)字處理，所以矩形信號(hào)輸出在定位控制中得到廣泛的應(yīng)用。正因?yàn)樵隽渴焦怆娋幋a器輸出A、B 兩相互差90°電度角的脈沖信號(hào)（即所謂的兩組正交輸出信號(hào)），從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)AB兩路脈沖的超前、滯后關(guān)系相反。如上圖，在B相的上升沿，如果A相是高電平，則表明電機(jī)正轉(zhuǎn)；在B相的上升沿，如果A相是低電平，則表明電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過辨向電路就可以輕松地判斷出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。增量式光電編碼器中還有

5、用作參考零位Z相標(biāo)志脈沖信號(hào)，每當(dāng)光電碼盤旋轉(zhuǎn)一周，就會(huì)發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)。Z相標(biāo)志脈沖通常用做系統(tǒng)坐標(biāo)的原點(diǎn)，或清零信號(hào)，以減少測(cè)量的積累誤差。良好的光電編碼器的辨向電路十分重要，因?yàn)樗怯绊懴到y(tǒng)控制精確度的關(guān)鍵因素。任何脈沖的丟失或者脈沖輸出錯(cuò)誤都不允許。如果僅僅知道A、B相的脈沖輸出信號(hào)，計(jì)算機(jī)無法識(shí)別輸出桿的位移與方向。辨向電路可以將正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)的AB相脈沖輸出分離，當(dāng)光電編碼器正轉(zhuǎn)的時(shí)候，只有A相有脈沖信號(hào)輸出，B相輸出的脈沖信號(hào)處理為低電平；當(dāng)光電編碼器反轉(zhuǎn)的時(shí)候，只有B相有脈沖信號(hào)輸出，A相輸出的脈沖信號(hào)處理為低電平。如此做便可以將A、B相的輸出信號(hào)進(jìn)行解碼分離，從而便于微控制器能

6、夠通過外部的引腳觸發(fā)中斷計(jì)數(shù)，從而可以計(jì)算出電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。光電編碼器的信號(hào)處理分為兩個(gè)部分。第一部分是對(duì)光電編碼器直接輸出信號(hào)進(jìn)行整形處理。第二部分為光電編碼器解碼分離電路。信號(hào)整形電路施密特觸發(fā)器作為一種波形整形電路，可以將模擬信號(hào)的波形整形為數(shù)字電路可以處理的方波。在數(shù)字系統(tǒng)中，由于矩形脈沖在傳輸?shù)倪^程中，容易發(fā)生波形畸變，也可能出現(xiàn)上升和下降不理想的情況，使用施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形可以獲得較為清晰理想的矩形脈沖。這是由于施密特觸發(fā)器與普通門電路不同，對(duì)于正向遞加和負(fù)向遞減的兩種不同變化的輸入信號(hào)，它具有兩個(gè)閾值電壓，即正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。輸入信號(hào)由低到高電平過程中是的電路狀態(tài)變化

7、的輸入電壓叫正向閾值電壓，反之為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓差值叫回差電壓。 只有當(dāng)輸入電壓有足夠的變化時(shí)，才能引起輸出信號(hào)的變化，施密特觸發(fā)器所具備的指滯回特性，表明施密特觸發(fā)器具備一定的記憶能力，回差電壓的存在，使得施密特觸發(fā)器具有較強(qiáng)的干擾能力。實(shí)際的電路中，我們采用74HC14D六反相施密特觸發(fā)器進(jìn)行A、B、Z三相信號(hào)的整形。解碼分離電路 光電編碼器辨向線路采用74HC74芯片。74HC74是一款高速CMOS器件，它是雙路D 型上升沿觸發(fā)器。引腳D是帶獨(dú)立數(shù)據(jù)輸入端，CP是時(shí)鐘輸入端，是直接復(fù)位端（低電平有效），是直接置位端（低電平有效），和是觸發(fā)器的互補(bǔ)輸出端。CPDLH

8、××HLHL××LHLL××HHHHLHHLLHHHL×H 代表高電平；L代表低電平； 代表輸入條件建立前的的電平； 代表輸入條件建立前的的電平； 代表電平由低到高的上升沿；× 代表任意值；* 代表當(dāng)和變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，輸出不穩(wěn)定。下面是光電編碼器辨向電路在Multisim中的電路仿真。設(shè)定的輸入信號(hào)為1kHz，周期T=1/f=1/1000Hz=0.001s。相位差為90°，即兩相輸出有一個(gè)延時(shí)0.00025s。當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，A相輸出信號(hào)超出B相90°時(shí)，如下設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)： A相脈沖 B相脈沖 兩相輸入和輸出波形如下：當(dāng)編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，B相輸出信號(hào)超出A相90°，如下設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)： A相脈沖 B相脈沖 兩相輸入和輸出波形如下：通過上述方法實(shí)現(xiàn)了A、B兩相信號(hào)的解碼分離。在Altium Designer中的實(shí)際電路如下：經(jīng)過一系列整形辨向后的兩組輸出信號(hào)接入LPC1764微處理器分析計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角度。具體的實(shí)現(xiàn)方式是設(shè)置LPC1764的P2口的管腳為上升沿觸發(fā)外部中斷觸發(fā)方式， 可以完成脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)功能。當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)