增量式光電編碼器開題報(bào)告

1、1本課題研究的背景、目的及意義 光電編碼器在現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)中常常用以檢測轉(zhuǎn)子的位置與速度，它是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，具有高精度、高分辨力、低能耗、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、航天、機(jī)器人、生物工程等領(lǐng)域的精密測量與控制設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。增量式光電編碼器作為廣電編碼器的一種，它是是新型的脈沖式伺服元件, 可以直接將角位移轉(zhuǎn)變成脈沖信號(hào), 用于檢測被測對象的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)位移、旋轉(zhuǎn)速度等。在電機(jī)伺服數(shù)字控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。增量式光電編碼器作為一種體積小、精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速與位置傳感器在測控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是：原理構(gòu)造簡單、易于實(shí)現(xiàn)；機(jī)械平均壽命長，

2、可達(dá)到幾萬小時(shí)以上；分辨率高；抗干擾能力較強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離較長，可靠性較高。其缺點(diǎn)是它無法直接讀出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的絕對位置信息。增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號(hào)，然后根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對脈沖進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，以此達(dá)到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。如圖1所示：光源 透鏡 主光柵碼盤 鑒向盤 透鏡 光敏元件 放大整形 脈沖輸出轉(zhuǎn)軸 圖1 增量式光電編碼器的工作原理圖增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯(cuò)開90o相位的窄縫，并分別有

3、光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號(hào)。工作時(shí)，鑒向盤不動(dòng)，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差90o的近似正弦信號(hào)，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。為了獲得絕對位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零。增量式編碼器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，所以無論在高精度的計(jì)量領(lǐng)域里，還是在一般精度的位移轉(zhuǎn)換器中，都得到了廣泛的應(yīng)用。目前，編碼器主要有以下方面的應(yīng)用 ：(l)長度和角度的精密測量：在線值測量方面，光柵式測量主要應(yīng)用在高精度、大量程、高分辨率的儀器中，如工具顯微鏡和三坐標(biāo)測量機(jī)等。在光柵式

4、圓分度測量裝置中，由于一般采用均勻布置多個(gè)讀數(shù)頭的方法，故讀數(shù)精度和測量精度大為提高。(2)數(shù)字跟蹤、位移量同步比較測量：應(yīng)用運(yùn)動(dòng)比較制成了齒輪傳動(dòng)鏈測試儀、絲桿動(dòng)態(tài)測量儀和光柵檢驗(yàn)儀等。近幾年，利用莫爾條紋技術(shù)適于長、短距離測量的特點(diǎn)，研制的一種激光準(zhǔn)直跟蹤和定位系統(tǒng)，定向精度達(dá)到了0.12/5m，對于工業(yè)環(huán)境的中遠(yuǎn)距離的定位準(zhǔn)直和跟蹤具有很大的推廣價(jià)值。(3)在形變測試中的應(yīng)用：應(yīng)變分析中的莫爾法是通過變形光柵傳遞信息，但是它不是影子光柵，而是貼在試件上并與之一起變形的實(shí)體光柵，通常稱為試件光柵，另一塊不變形的光柵稱為基準(zhǔn)光柵。目前，針對殘余應(yīng)力對零件、部件及結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、使用壽命等有很大影

5、響的情況進(jìn)行檢測的新方法也己經(jīng)得到了驗(yàn)證，其靈敏度可以達(dá)到0.025。(4)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用：當(dāng)前在數(shù)控機(jī)床的檢測系統(tǒng)中，光柵原理的應(yīng)用也很普遍。目前的發(fā)展趨勢是采用中等精度簡易型的光柵系統(tǒng)，使其成本降低，以便能與感應(yīng)同步起和磁柵等檢測元件相抗衡?，F(xiàn)今,光電編碼器被越來越多地用于角度的測量,由于它在測量角度方面的優(yōu)越性,已成為一種重要的角度傳感器。本課題將增量式編碼器的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理模塊相結(jié)合，完成從采集電機(jī)轉(zhuǎn)速（或角位移）信號(hào)到信號(hào)處理后輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速（或角位移）的整個(gè)過程，其中主要包括：數(shù)據(jù)采集電路，鑒向計(jì)數(shù)電路，過程通道傳輸電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，編碼器與單片機(jī)的接口電路，四倍頻測量電

6、路，信號(hào)處理及輸出模塊。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，涉及到了很多與專業(yè)有關(guān)的知識(shí)，比如單片機(jī)技術(shù)，A/D轉(zhuǎn)換電路等。通過此次設(shè)計(jì)，必將使我加深對單片機(jī)原理，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的了解，鞏固了我在課堂里所學(xué)到的知識(shí)，讓我能更好的將理論聯(lián)系實(shí)際，將自己所學(xué)到的理論知識(shí)正確的應(yīng)用到實(shí)際的工作中去。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)可以強(qiáng)化我對基本知識(shí)和基本技能的理解和掌握,培養(yǎng)我收集資料和調(diào)查研究的能力, 也能夠考察我對所學(xué)知識(shí)的掌握程度，也可以在一定程度上，鍛煉我獨(dú)立工作能力和培養(yǎng)我的自覺性。畢業(yè)設(shè)計(jì)通過查閱書籍，自己動(dòng)手，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)和撰寫論文等環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問題的能力和獨(dú)立工作的能力、組織管理和社交能力；同時(shí)

7、，對學(xué)生的思想品德，工作態(tài)度及作風(fēng)等方面都會(huì)有很大的影響。對于增強(qiáng)事業(yè)心和責(zé)任感，提高畢業(yè)生在校期間的最后學(xué)習(xí)和綜合訓(xùn)練階段；是學(xué)習(xí)深化、拓寬、綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的重要過程；是學(xué)生學(xué)習(xí)、研究與實(shí)踐成果的全面總結(jié)；是學(xué)生綜合素質(zhì)與實(shí)踐能力的培養(yǎng)效果的全面檢驗(yàn)；是實(shí)現(xiàn)學(xué)生從學(xué)習(xí)到崗位工作的過渡環(huán)節(jié)；是衡量高等教育質(zhì)量和辦學(xué)效益的重要評價(jià)內(nèi)容。2本課題主要研究內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo)(1) 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)：在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，利用軟件方法消除硬件上難以消除的抖動(dòng)，減小數(shù)據(jù)采集時(shí)的誤差與擾動(dòng)干擾，實(shí)現(xiàn)高速度、高精度增量型編碼器的數(shù)據(jù)采集。(2) 鑒向計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)：在數(shù)據(jù)

8、采集之后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒向計(jì)數(shù)分析，輸出穩(wěn)定且誤差較小的脈沖信號(hào)(3)過程通道傳輸電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及與單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)：將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換，并傳送給單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別并檢測，最終計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速（或角位移）。(4)四倍頻測量電路的設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)：在信號(hào)處理電路中采用一種用于編碼區(qū)的四倍頻測量電路，用以提高被控對象的測量精度和控制精度。3本課題擬采用的研究方法、步驟 本課題采用增量式光電編碼器將轉(zhuǎn)速（或角位移）轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，對脈沖進(jìn)行消除誤差和誤碼處理，再利用四倍頻測量電路將脈沖信號(hào)放大，消除信號(hào)上的抖動(dòng)，最后傳送給單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別并檢測，最終計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速（或角位移）

9、。本課題主要研究以下四個(gè)步驟：(1) 數(shù)據(jù)采集模塊檢測A相一個(gè)周期中的同一個(gè)邊沿位置，如果在此邊沿位置檢測到一個(gè)上升沿，則對應(yīng)編碼器的一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向；如果在此邊沿位置檢測到一個(gè)下降沿，則對應(yīng)編碼器的另一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。B相為高電平時(shí)，若檢測到A相為上升沿，則可判斷出編碼器輸出波形的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閺淖笙蛴?，即編碼器為逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；若檢測到A相為下降沿，則可判斷出編碼器輸出波形的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閺挠蚁蜃螅淳幋a器為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；B相為低電平的情況可類推。(2) 鑒向計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)增量式光電編碼器的計(jì)數(shù)鑒向方法很多，可通過軟件方式，也可通過硬件電路實(shí)現(xiàn)，其鑒向計(jì)數(shù)原理基本一致。當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前于B相90&

10、#176;，當(dāng)光電編碼器反轉(zhuǎn)時(shí),B相超前于A相90°。根據(jù)信號(hào)的狀態(tài)轉(zhuǎn)化可以判別處編碼器的轉(zhuǎn)向，計(jì)數(shù)有3種分頻方式：不倍頻、二倍頻、四倍頻。在實(shí)際低速工作狀態(tài)下，由于編碼器在光窗邊緣停滯時(shí)間長或發(fā)生方向改變!可能會(huì)引起在某一相信號(hào)上的抖動(dòng)。(3) 過程通道傳輸與單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)無“誤碼”的信號(hào)調(diào)理電路：編碼器正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電路的F端由脈沖信號(hào)輸出；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，端有脈沖信號(hào)物出編碼器正向運(yùn)動(dòng)時(shí), 當(dāng)信號(hào)的上升沿來時(shí), 信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖反向運(yùn)動(dòng)時(shí), 信號(hào)的下降沿來時(shí), 信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖。若計(jì)數(shù)電路是通過記錄、信號(hào)的下降沿來進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)的, 這就使得正向運(yùn)動(dòng)時(shí)計(jì)數(shù)電路在信號(hào)的上升沿處

11、記錄一個(gè)正向脈沖反向運(yùn)動(dòng)時(shí), 計(jì)數(shù)電路在信號(hào)的下降處記錄一個(gè)反向脈沖。編碼器物理位置上, 正向運(yùn)動(dòng)時(shí)信號(hào)出現(xiàn)上升沿的點(diǎn)與反向運(yùn)動(dòng)時(shí)信號(hào)出現(xiàn)下降沿的點(diǎn)是重合的。所以采用該信號(hào)調(diào)理電路將不會(huì)產(chǎn)生換向誤碼。脈沖計(jì)數(shù)電路：采用單片機(jī)的計(jì)數(shù)處理電路，用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器記錄正向運(yùn)動(dòng)的脈沖數(shù), 計(jì)數(shù)器計(jì)滿溢出時(shí), 向單片機(jī)請求一次中斷, 單片機(jī)記錄溢出的次數(shù)。同樣的方法, 用計(jì)數(shù)器記錄反向運(yùn)動(dòng)的脈沖數(shù)。單片機(jī)通過計(jì)數(shù)器的溢出次數(shù)、計(jì)數(shù)常數(shù)和當(dāng)前的計(jì)數(shù)值即可求得位置或速度值。編碼器的零位標(biāo)志可接單片機(jī)的外部中斷請求末端, 這樣即可用技術(shù)常數(shù)信號(hào)通知單片機(jī)目前編碼器處于零位。(4) 四倍頻測量電路的設(shè)計(jì)將A或B信

12、號(hào)四倍頻,則計(jì)數(shù)脈沖的周期將減小到T/4。量化誤差下降為/8 ,從而使光電編碼器的角位移測量精度提高4倍。如圖2所示：增量編碼器四倍頻計(jì)數(shù)AB兩路信號(hào)加減脈沖信號(hào)圖2 四倍頻計(jì)數(shù)原理4本課題主要參考文獻(xiàn)1 Palla-Areny Ramon,et al.傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié).2版M.張倫,譯.北京：清華大學(xué)出版社,2003.2 任樹梅,蔣圣平,郝曉劍.用位置敏感傳感器進(jìn)行位移測試的技術(shù)研究J.測試技術(shù)學(xué)報(bào),2002,16(2)：127131.3 錢峰.EZ-USB FX2單片機(jī)原理、編程及應(yīng)用M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,20064 鮮浩,任愛芝,盛仲.增量式編碼器數(shù)據(jù)采集.華北工學(xué)院學(xué)報(bào),2

13、003(2)5 蘇奎峰,呂強(qiáng),等,TMS320F2812原理與開發(fā)M. 北京:電子工業(yè)出版社,2005.6 張子蓬,王淑青,袁曉輝. 基于緩沖器的編碼器接口擴(kuò)展方法研究J. 微計(jì)算機(jī)信息,2006,(20)7 何勇, 王生. 光電傳感器及其應(yīng)用M. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.8 李擁軍,楊立淑.光電編碼器測速算法的IP 核設(shè)計(jì)J.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,31（3）：35-37.9 李曉瑩.傳感器與測試技術(shù)M.北京：高等教育出版社,2004.10 方艷輝.增量式編碼器全數(shù)字量相加技術(shù)的研究C.中國科學(xué)院研究生院碩士學(xué)位論文,200511 徐安等.單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京：北京希望電子出版社,

14、2003.12 鄒麗新,翁桂榮.單片微型計(jì)算機(jī)原理.蘇州：蘇州大學(xué)出版社,200113 Helen Stapleton, Albert OGrady.Isolation techniques for high-resolution data-acquisition systems. Analog Devices, 2001(2)14 CHEN X R ,CAI P,SHI W K. Dynamic measuring the position of a moving object based on laser tracking systemJ.Chinese Journal of Scient

15、ific Instrument,2004,25(6)：777.780.15 Yuji M, Nobuhiko T,Tomoharu N,et a1.High-performance absolute rotary encoder using multitask andM-code. Optical Engineering,2003,42(1)：124-13016 Kazuyuki Shiraki,M asaharu Ohashi.SBS Threshold of a Fiber with a Brillouin Frequency Shift DistributionJ.Journal of Light wave Technology,1996,14(1)：5