測速編碼器說明書

1、BEN測速編碼器在智能車舵機(jī)控制中的應(yīng)用21 舵機(jī)工作原理    舵機(jī)在6 V電壓下正常工作，而大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的標(biāo)準(zhǔn)電源輸出電壓為72 V，則需一個(gè)外圍電壓轉(zhuǎn)換電路將電源電壓轉(zhuǎn)換為舵機(jī)的工作電壓6 V。圖2為舵機(jī)供電電路。     舵機(jī)由舵盤、位置反饋電位計(jì)、減速齒輪組、直流動(dòng)電機(jī)和控制電路組成，內(nèi)部位置反饋減速齒輪組由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出軸帶動(dòng)一個(gè)具有線性比例特性的位置反饋電位器作為位置檢測。當(dāng)電位器轉(zhuǎn)角線性地轉(zhuǎn)換為電壓并反饋給控制電路時(shí)，控制電路將反饋信號(hào)與輸入的控制脈沖信號(hào)相比較，產(chǎn)生糾正脈沖，控制并驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正向或反向

2、轉(zhuǎn)動(dòng)，使減速齒輪組輸出的位置與期望值相符。從而達(dá)到舵機(jī)精確控制轉(zhuǎn)向角度的目的。舵機(jī)工作原理框圖如圖3所示。22 舵機(jī)的安裝與調(diào)節(jié)    舵機(jī)的控制脈寬與轉(zhuǎn)角在-45°+45°范圍內(nèi)線性變化。對(duì)于對(duì)速度有一定要求的智能車，舵機(jī)的響應(yīng)速度和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比直接影響車模能否以最佳速度順利通過彎道。車模在賽道上高速行駛，特別是對(duì)于前瞻性不夠遠(yuǎn)的紅外光電檢測智能車，舵機(jī)的響應(yīng)速度及其轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比將直接影響車模行駛的穩(wěn)定性，因此必須細(xì)心調(diào)試，逐一解決。由于舵機(jī)從執(zhí)行轉(zhuǎn)動(dòng)指令到響應(yīng)輸出需占用一定的時(shí)間，因而產(chǎn)生舵機(jī)實(shí)時(shí)控制的滯后。雖然車模在進(jìn)入彎道時(shí)能夠檢測到

3、黑色路線的偏轉(zhuǎn)方向，但由于舵機(jī)的滯后性，使得車模在轉(zhuǎn)彎過程中時(shí)常偏離跑道，且速度越快，偏離越遠(yuǎn)，極大限制車模在連續(xù)彎道上行駛的最大時(shí)速，使得車模全程賽道速度很難進(jìn)一步提高。為了減小舵機(jī)響應(yīng)時(shí)間，在遵守比賽規(guī)則不允許改造舵機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，利用杠桿原理，采用加長舵機(jī)力臂的方案來彌補(bǔ)這一缺陷，加長舵機(jī)力臂示意圖如圖4所示。    圖4中，R為舵機(jī)力臂；為舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度；F為轉(zhuǎn)向所需外力；為外力同力臂的夾角。在舵機(jī)輸出盤上增加長方形杠桿，在杠桿的末端固定轉(zhuǎn)向傳動(dòng)連桿，其表達(dá)式為：        加長力臂后欲使前輪轉(zhuǎn)

4、動(dòng)相同角度時(shí)，在舵機(jī)角速度相同的條件下舵機(jī)力臂加長后增大了線速度v，最終使得舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度減小。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角減小，舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間t也會(huì)變短。同時(shí)由式(1)可推出線速度口增大后，前輪轉(zhuǎn)向所需的時(shí)間t相應(yīng)也會(huì)變短，其表達(dá)式為：t=dsdv         (2)    此外，當(dāng)舵機(jī)連桿水平且與舵機(jī)力臂垂直時(shí)，得到力矩M，可由式(3)表示：M=FRsin           (3) 

5、   說明當(dāng)舵機(jī)連桿和舵機(jī)力臂垂直時(shí)=900°，此時(shí)sin得到最大值。在舵機(jī)力臂R一定和外力F相同條件下，舵機(jī)產(chǎn)生的力矩M最大，實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向的時(shí)間最短。    在實(shí)際調(diào)試車模時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種方法對(duì)提高舵機(jī)的響應(yīng)速度也具有局限性：當(dāng)在舵機(jī)輸出力矩相同的條件下，力臂越長，作用力越小。在轉(zhuǎn)向遇到較大轉(zhuǎn)向阻力時(shí)，會(huì)影響舵機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向輪控制的精度，甚至使轉(zhuǎn)向輪的響應(yīng)速度變慢；另外，舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)精度產(chǎn)生的空程差也會(huì)在力臂加長中放大。使得這一非線性環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的不利影響增大。因此，舵機(jī)安裝的高度具有最佳范圍，仍需通過試驗(yàn)反復(fù)測試。 3 霍爾傳感器的應(yīng)用&

6、#160;   由于在賽前比賽賽道的幾何圖形是未公開的。賽前車模訓(xùn)練的路線與實(shí)際比賽的路線相差甚遠(yuǎn)，若車模自適應(yīng)性調(diào)整不好，車模會(huì)在連續(xù)彎道處頻繁的偏轉(zhuǎn)。賽道的變更給車模的適應(yīng)性和穩(wěn)定性帶來了一定挑戰(zhàn)。為了使得車模能夠平穩(wěn)地沿著賽道行駛，除控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還需要控制好各種路況的車速，使得車模在急轉(zhuǎn)彎和下坡時(shí)不會(huì)因速度過快而沖出賽道。因此，利用霍爾傳感器檢測車模瞬時(shí)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)車模速度的閉環(huán)反饋控制，小車的PC9S12控制板能夠根據(jù)賽道路況變化而相應(yīng)執(zhí)行軟件給定的加速、減速、剎車等指令，在最短的時(shí)間內(nèi)由當(dāng)前速度轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕乃俣?，使得車模快速平穩(wěn)行駛。 

7、0;  基于霍爾效應(yīng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每個(gè)小鋼磁通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲袦y速裝置示意圖如圖5所示。顯然不是安裝小鋼磁越多越好，在一定的條件允許范圍內(nèi)，磁性轉(zhuǎn)盤上小鋼磁的數(shù)目越多，確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率也越高，速度控制也越精確。一般48片是最佳范圍。4 結(jié)束語    為了參加第四屆“精芬”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽，此設(shè)計(jì)方案在校級(jí)代表隊(duì)資格選拔賽中表現(xiàn)完美，最終跑出 197 s的好成績，成功入選。實(shí)踐證明了智能車舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向和霍爾控制測速優(yōu)化方案具有可行性和實(shí)用性。檢查原圖（大圖）加長力

8、臂后欲使前輪轉(zhuǎn)動(dòng)類似角度時(shí)，在舵機(jī)角速度類似的條件下舵機(jī)力臂加長后增大了線速度v，結(jié)尾使得舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度減小。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角減小，舵機(jī)的照應(yīng)時(shí)間t也會(huì)變短。同時(shí)由式(1)可推出線速度口增大后，前輪轉(zhuǎn)向所需的時(shí)間t相應(yīng)也會(huì)變短，其表達(dá)式為：t=dsdv (2)此外，當(dāng)舵機(jī)連桿水平且與舵機(jī)力臂垂直時(shí)，得到力矩M，可由式(3)示意：M=FRsin (3)標(biāo)明當(dāng)舵機(jī)連桿和舵機(jī)力臂垂直時(shí)=900°，此時(shí)sin得到最大值。在舵機(jī)力臂R必須和外力F類似條件下，舵機(jī)發(fā)生的力矩M最大，完成前輪轉(zhuǎn)向的時(shí)間最短。在實(shí)踐調(diào)試車模時(shí)發(fā)覺，這種辦法對(duì)提高舵機(jī)的照應(yīng)速度也具有局限性：當(dāng)在舵機(jī)輸出力矩類似的條件下，力

9、臂越長，作用力越小。在轉(zhuǎn)向遇到較大轉(zhuǎn)向阻力時(shí)，會(huì)影響舵機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向輪控制的精度，甚至使轉(zhuǎn)向輪的照應(yīng)速度變慢；另外，舵機(jī)機(jī)械構(gòu)造精度發(fā)生的空程差也會(huì)在力臂加長中擴(kuò)大。使得這一非線性環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的不利影響增大。因而，舵機(jī)裝置的高度具有最好范圍，仍需議決實(shí)驗(yàn)反復(fù)測試。 3 霍爾傳感器的使用由于在賽前競賽賽道的幾何圖形是未公示的。賽前車模訓(xùn)練的路途與實(shí)踐競賽的路途相差甚遠(yuǎn)，若車模自順應(yīng)性調(diào)整不好，車模會(huì)在延續(xù)彎道處頻繁的偏轉(zhuǎn)。賽道的變卦給車模的順應(yīng)性和固定性帶來了必須挑釁。為了使得車模能夠顛簸地沿著賽道行駛，除控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還須要控制好各種路況的車速，使得車模在急轉(zhuǎn)彎和下坡時(shí)不會(huì)因速渡過快而沖出

10、賽道。因而，使用霍爾傳感器檢測車模瞬時(shí)速度，完成對(duì)車模速度的閉環(huán)反應(yīng)控制，小車的PC9S12控制板能夠依據(jù)賽路途況改動(dòng)而相應(yīng)執(zhí)行軟件給定的加快、放慢、剎車等指令，在最短的時(shí)間內(nèi)由現(xiàn)在速度轉(zhuǎn)變?yōu)橄＜降乃俣?，使得車模高速顛簸行駛?；诨魻栃?yīng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每個(gè)小鋼磁議決時(shí)發(fā)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲袦y速裝置示意圖如圖5所示。顯然不是裝置小鋼磁越多越好，在必須的條件準(zhǔn)許范圍內(nèi)，磁性轉(zhuǎn)盤上小鋼磁的數(shù)目越多，確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率也越高，速度控制也越精確。普通48片是最好范圍。電機(jī)的位置檢測在電機(jī)控制中是十分重要的，特別是需要根據(jù)精確轉(zhuǎn)子位

11、置控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)用場合，如位置伺服系統(tǒng)。電機(jī)控制系統(tǒng)中的位置檢測通常有：微電機(jī)解算元件，光電元件，磁敏元件，電磁感應(yīng)元件等。這些位置檢測傳感器或者與電機(jī)的非負(fù)載端同軸連接，或者直接安裝在電機(jī)的特定的部位。其中光電元件的測量精度較高，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置，從而間接的反映出與電機(jī)連接的機(jī)械負(fù)載的準(zhǔn)確的機(jī)械位置，從而達(dá)到精確控制電機(jī)位置的目的。在本文中我將主要介紹高精度的光電編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理與位置檢測的方法。一、BEN編碼器的介紹：光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕

12、對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。（一）、BEN編碼器絕對(duì)式光電編碼器如圖所示，他是通過讀取編碼盤上的二進(jìn)制的編碼信息來表示絕對(duì)位置信息的。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。圖1是二進(jìn)制的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用“0”來表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”來表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。如果編碼盤有4個(gè)碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的23、22、21和20，4位二進(jìn)制可形成16個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此就將圓盤劃分16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，如0000

13、、0001、1111。電機(jī)的位置檢測在電機(jī)控制中是十分重要的，特別是需要根據(jù)精確轉(zhuǎn)子位置控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)用場合，如位置伺服系統(tǒng)。電機(jī)控制系統(tǒng)中的位置檢測通常有：微電機(jī)解算元件，光電元件，磁敏元件，電磁感應(yīng)元件等。這些位置檢測傳感器或者與電機(jī)的非負(fù)載端同軸連接，或者直接安裝在電機(jī)的特定的部位。其中光電元件的測量精度較高，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置，從而間接的反映出與電機(jī)連接的機(jī)械負(fù)載的準(zhǔn)確的機(jī)械位置，從而達(dá)到精確控制電機(jī)位置的目的。在本文中我將主要介紹高精度的光電編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理與位置檢測的方法。一、BEN編碼器的介紹：光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示

14、與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。（一）、BEN編碼器絕對(duì)式光電編碼器如圖所示，他是通過讀取編碼盤上的二進(jìn)制的編碼信息來表示絕對(duì)位置信息的。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。圖1是二進(jìn)制的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用“0”來表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”來表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。如果編碼盤有4個(gè)碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的23、22、21和20，4位二進(jìn)制可形

15、成16個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此就將圓盤劃分16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，如0000、0001、1111。按照碼盤上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極管和驅(qū)動(dòng)電子線路。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中透光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。（二）、增量式BEN編碼器增量式BEN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(duì)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

16、電子線路組成。增量式BEN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(duì)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。利用增量式光電編碼器可以檢測電機(jī)的位置和速度。二、BEN編碼器的測量方法：光電編碼器在電機(jī)控

17、制中可以用來測量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場和機(jī)械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹。（一）、使用BEN編碼器來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號(hào)來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體的測速方法有M法、T法和M/T法3種。M法又稱之為測頻法，其測速原理是在規(guī)定的檢測時(shí)間Tc內(nèi)，對(duì)光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的測速方法，如圖2所示，例如光電編碼器是N線的，則每旋轉(zhuǎn)一周可以有4N個(gè)脈沖，因?yàn)閮陕访}沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號(hào)4倍頻?，F(xiàn)在假設(shè)檢測時(shí)間是Tc，計(jì)數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是M1，則電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為在實(shí)際的測量中，時(shí)

18、間Tc內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個(gè)脈沖的誤差。如果要求測量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說是小于百分之一，那么M1就應(yīng)該大于50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測脈沖數(shù)M1以減小誤差，可以增大檢測時(shí)間Tc單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測時(shí)間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在0.01秒以下。由此可見，減小測量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。M法測速適用于測量高轉(zhuǎn)速，因?yàn)閷?duì)于給定的光電編碼器線數(shù)N機(jī)測量時(shí)間Tc條件下，轉(zhuǎn)速越高，計(jì)數(shù)脈沖M1越大，誤差也就越小。T法也稱之為測周法，該測速方法是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，如圖3所示。例如時(shí)鐘頻率為fclk,計(jì)數(shù)器記

19、錄的脈沖數(shù)為M2，光電編碼器是N線的，每線輸出4N個(gè)脈沖，那么電機(jī)的每分鐘的轉(zhuǎn)速為為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此T法測速適用于低速運(yùn)行的場合。但轉(zhuǎn)速太低，一個(gè)編碼器輸出脈沖的時(shí)間太長，時(shí)鐘脈沖數(shù)會(huì)超過計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值而產(chǎn)生溢出;另外，時(shí)間太長也會(huì)影響控制的快速性。與M法測速一樣，選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的快速性與精度。M/T法測速是將M法和T法兩種方法結(jié)合在一起使用，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1和M2進(jìn)行計(jì)數(shù)，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為 實(shí)際工作時(shí)，在固定的Tc時(shí)間內(nèi)對(duì)光電編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，在第一個(gè)光電編碼器上升沿定時(shí)器開始定時(shí)，同時(shí)開

20、始記錄光電編碼器和時(shí)鐘脈沖數(shù)，定時(shí)器定時(shí)Tc時(shí)間到，對(duì)光電編碼器的脈沖停止計(jì)數(shù)，而在下一個(gè)光電編碼器的上升沿到來時(shí)刻，時(shí)鐘脈沖才停止記錄。采用M/T法既具有M法測速的高速優(yōu)點(diǎn)，又具有T法測速的低速的優(yōu)點(diǎn)，能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍，測量的精度也較高，在電機(jī)的控制中有著十分廣泛的應(yīng)用。（二）使用增量式光電編碼器來判別電機(jī)轉(zhuǎn)速方向的原理增量式光電編碼器輸出兩路相位相差90o的脈沖信號(hào)A和B，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號(hào)A的相位超前脈沖信號(hào)B的相位90o，此時(shí)邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號(hào)Dir。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號(hào)A的相位滯后脈沖信號(hào)B的相位90o，此時(shí)邏輯電路處理后的方向信號(hào)Dir為低電平。因此根

21、據(jù)超前與滯后的關(guān)系可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。其轉(zhuǎn)速辯相的原理如圖4所示 圖4轉(zhuǎn)向判別原理圖（三）、增量式BEN光電編碼器的反饋脈沖的四倍頻原理在使用增量式編碼器時(shí)，通過計(jì)相位相差90o的兩路正交脈沖信號(hào)A和B的上升沿與下降沿已達(dá)到將增量式編碼器的反饋脈沖四倍頻的目的。這樣在不增加增量式光電編碼器的線數(shù)的情況下，就可以獲得更精度高的位置脈沖信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)位置的精確控制。其工作原理與脈沖的相位關(guān)系如圖5所示圖5 脈沖四倍頻相位關(guān)系圖結(jié)束語：光電式BEN編碼器有著良好的抗干擾特性與應(yīng)用的可靠性，在電機(jī)控制這種有著極高電磁感染的應(yīng)用環(huán)境下有著廣闊的應(yīng)用前景。相信在不久的將來光電式編碼器一定會(huì)在電機(jī)控制領(lǐng)

22、域發(fā)揮更為重要的作用。而我們對(duì)于光電式編碼器的研究也就顯得格外的重要。實(shí)驗(yàn)一 增量式碼盤原理及應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、    掌握光電編碼器的工作原理與使用方法。2、    掌握T法測速的基本原理。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1、    BEEM400教學(xué)設(shè)備一臺(tái)。2、    計(jì)算機(jī)一臺(tái)。3、    雙蹤示波器一臺(tái)。三、實(shí)驗(yàn)原理：（一）  BEN編碼器原理以最常用的增量式光電編碼器說明其原理（如圖1-1）：圖1-1 增量式BEN編碼器的工作原

23、理1 發(fā)光二極管 2 光電圓盤 3 轉(zhuǎn)盤縫隙 4 遮光板 A B C 光敏元件光電圓盤與被測軸連接，光線通過光電圓盤和遮光板的縫隙，在光電元件上形成明暗交替變化的條紋，在A、B光敏元件上產(chǎn)生近似于正弦波的電流信號(hào)，經(jīng)放大整形電路變成相位相差90°的方波信號(hào)，如圖1-2所示。軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，只產(chǎn)生一個(gè)C相脈沖，用做參考零位的標(biāo)志脈沖，在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給控制中，C相脈沖用來產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。A相和B相的相位差可用作電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向判別，若A相超前于B相，對(duì)應(yīng)電機(jī)作正向運(yùn)動(dòng)；反之，對(duì)應(yīng)電機(jī)作反向運(yùn)動(dòng)。該方波的前沿或后沿產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖，可以形成代表正向和反向位置的脈沖序列。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，為了

24、提高編碼器信號(hào)的傳輸能力和抗干擾能力，每一相都以差分形式輸出，如A相有A和A/一起差動(dòng)輸出。圖1-2 光電編碼器輸出波形（二）  BEN編碼器測速原理：在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來測量轉(zhuǎn)速的方法有以下三種：（1）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測量所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)來獲得被測速度，稱為M法測速；（2）測量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間來測量速度，稱為T法測速；（3）同時(shí)測量檢測時(shí)間和在此時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)來測量速度，稱為M/T法測速。以上三中測速方法中，M法適合于測量較高的速度，能獲得較高分辨率；T法適合于測量較低的速度，這時(shí)能獲得較高的分辨率；而M/T法則無論高速低速都適合測量。由于PMA

25、C控制器采用的是T法測速，所以以下只對(duì)T法測速進(jìn)行介紹。T法測速的原理是用一已知頻率fc（此頻率一般都比較高）的時(shí)鐘脈沖向一計(jì)數(shù)器發(fā)送脈沖，計(jì)數(shù)器的起停由碼盤反饋的相鄰兩個(gè)脈沖來控制，原理圖見圖1-3。若計(jì)數(shù)器讀數(shù)為m1，則電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速為 nM=60fc/Pm1(r/min) （1）圖1-3 T法測速原理其中P為碼盤一圈發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)即碼盤線數(shù)。m1= M106->Y:$C000,0,24,U為脈沖個(gè)數(shù)fc=10MHz（注意：此時(shí)需設(shè)置PMAC卡上的跳線E34A=OFF，E34=ON，E35，E36，E37=OFF）測速分辨率：當(dāng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時(shí)則分辨率Q的定義為Q=n2-n1

26、，Q值越小說明測量裝置對(duì)轉(zhuǎn)速變化越敏感即分辨率越高。因此可以得到T法測速的分辨率為Q=60fc/Pm1-60fc/P（m1+1）= n2M P/（60fc+ nMP） （2）由上式可見隨著轉(zhuǎn)速nM的降低，Q值越小，即T法測速在低速時(shí)有較高的分辨率。四、注意事項(xiàng)： 1、  按要求正確接線。2、  正確使用雙蹤示波器。3、  編碼器是精密的光電元件，應(yīng)避免強(qiáng)烈振動(dòng)。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：內(nèi)容一：編碼器辨向及T法測速實(shí)驗(yàn)1、  將EM400控制柜的所有電纜同X-Y平臺(tái)連接好（包括電機(jī)動(dòng)力線、碼盤反饋線、限位回零線、光柵反饋線），將EM400控制柜的串口與計(jì)算機(jī)的

27、串口連接好，確定無誤后打開控制箱電源和計(jì)算機(jī)電源。2、  調(diào)整好示波器，將其中一路連接到X軸的A+和GND上，將另一路連接到B+和GND上準(zhǔn)備觀察。3、  運(yùn)行PEWIN32PRO32pro軟件，分別點(diǎn)擊VIEW菜單下的position、Watch window、Jog Ribbon子菜單，打開位置窗口、監(jiān)視窗口和手動(dòng)（Jog）控制窗口。4、  在Terminal窗口中定義M106->Y:$C000,0,24,U，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊監(jiān)視窗口，按INSERT鍵，加入M106變量對(duì)它進(jìn)行監(jiān)視，m1= M106存放的即相鄰兩個(gè)脈沖之間計(jì)數(shù)器的讀數(shù)。5、  在Jo

28、g Ribbon窗口選擇1號(hào)電機(jī)（對(duì)應(yīng)X軸）。6、  分別按“Jog minus”、“Jog plus”按鈕讓X軸電機(jī)來回運(yùn)動(dòng)起來，在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)注意查看以下幾個(gè)地方：M106的數(shù)值，示波器中雙路波形之間的相位關(guān)系，并在數(shù)值穩(wěn)定后做相應(yīng)記錄，填寫表1-1（注意為了不讓工作臺(tái)超出行程范圍，可以先讓工作臺(tái)處在中間位置，然后交替按“Jog minus”、“Jog plus”按鈕）。7、  X軸電機(jī)停轉(zhuǎn)后，在Terminal窗口鍵入“I122=10”并回車，（I122為X軸手動(dòng)速度，單位cts/ms，I122*1000*60/P后單位變?yōu)檗D(zhuǎn)/分，其中P為碼盤反饋線數(shù)），重復(fù)步驟6。然

29、后將I122的數(shù)值逐步增大，幅度為510。再次重復(fù)步驟6兩次后填寫表1-2。8、  總結(jié)觀測到的數(shù)據(jù)得出相應(yīng)的結(jié)論。內(nèi)容二：編碼器倍頻譯碼1、  接上一實(shí)驗(yàn)，將X方向平臺(tái)運(yùn)行到中間位置。2、  在Jog Ribbon窗口中選中Jog Incrementally,在increment后的文本框中輸入10000，按“Jog minus”或“Jog plus”向X軸電機(jī)發(fā)送10000個(gè)計(jì)數(shù)，讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并查看工作臺(tái)移動(dòng)的距離或電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。3、  在Terminal窗口中鍵入“I900”查看X軸電機(jī)碼盤譯碼方式及倍頻關(guān)系，當(dāng)I900為3或7時(shí)，編碼器經(jīng)過了4倍

30、頻譯碼（假設(shè)電機(jī)編碼器反饋到PMAC的線數(shù)為2500線，則電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要2500*4=10000個(gè)指令脈沖）。4、  將I900號(hào)參數(shù)改為2或6（注意如果原來為3就改成2，原來為7就改為6，切不可搞錯(cuò)，否則電機(jī)將因?yàn)榫幋a器譯碼方向錯(cuò)誤而開環(huán)失去控制），使X軸碼盤的譯碼方式變成2倍頻正交譯碼。5、  重復(fù)步驟2，讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并記錄工作臺(tái)移動(dòng)距離或電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。6、  將I900號(hào)參數(shù)改為1或5（注意如果原來為2就改成1，原來為6就改為5，切不可搞錯(cuò)，理由同步驟7），使X軸碼盤的譯碼方式變成1倍頻正交譯碼。7、  重復(fù)步驟2，讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并記錄工作臺(tái)移動(dòng)距離或電

31、機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，填寫表1-3。內(nèi)容三：編碼器C信號(hào)作用1、  在PEWIN32PRO Terminal窗口鍵入“I902=1”，選擇編碼器C信號(hào)上升沿進(jìn)行回原點(diǎn)（此時(shí)，I903的值被忽略）。2、  將X軸平臺(tái)運(yùn)行到中央，按Jog Ribbon窗口中的home按鈕，將X軸回到原點(diǎn)，觀察工作臺(tái)是否能在行程中間停止。若工作臺(tái)能自行停止，則表示其能回到原點(diǎn)，此時(shí)請(qǐng)記錄原點(diǎn)位置。在PEWIN32PRO Terminal窗口鍵入“I123”（回原點(diǎn)的速度），查看X軸回原點(diǎn)的速度并記錄。3、  只更改I123的符號(hào)，重復(fù)步驟2。4、  更改I123的值和符號(hào)，再次重復(fù)步驟

32、，并觀察回原點(diǎn)的結(jié)果與I123的值和符號(hào)有何關(guān)系？具體咨詢上海021精芬機(jī)電39536219 實(shí)驗(yàn)二 半閉環(huán)系統(tǒng)PID調(diào)整一、           實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、  理解PID調(diào)整對(duì)系統(tǒng)的意義。2、  理解P、I、D參數(shù)的含義。3、  掌握控制環(huán)調(diào)整的方法和步驟。4、  掌握控制環(huán)特性的評(píng)估方法。二、             實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1

33、、 BE EM400教學(xué)設(shè)備一臺(tái)。2、  計(jì)算機(jī)一臺(tái)。3、  Pewin32Pro軟件。三、           實(shí)驗(yàn)原理： 一旦機(jī)電模型確定后，為了達(dá)到穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的控制效果，所有的閉環(huán)控制系統(tǒng)都要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，如果不對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任何校正是很難達(dá)到滿意的控制效果的?，F(xiàn)在校正的方式方法很多，但使用的最普遍的還是PID反饋控制+前饋控制，PID校正用于反饋通道上，而前饋控制用于前向通道上。增大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，它的作用于輸出值較快，能有效的克服擾動(dòng)的影響

34、，但不能消除誤差，且過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除誤差。微分具有超前作用，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。PMAC卡為用戶提供了PID+速度/加速度前饋+NOTCH濾波的控制環(huán)算法，能夠滿足大部分應(yīng)用場合的要求，用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)的要求來調(diào)整其中的相關(guān)參數(shù)。PMAC控制算法的原理如圖2-1所示。圖2-1 PMAC控制算法的原理圖中的Kp、Kd、Kvff、KI、IM、Kaff是PMAC控制器的 PID+速度/加速度前饋調(diào)節(jié)器的參數(shù)，通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)能夠解決大部分的系統(tǒng)特性問題，這些參數(shù)的含義

35、、作用及調(diào)整范圍如表2-1和表2-2所示。表2-1 PID參數(shù)變量參數(shù)作用調(diào)整值域數(shù)值影響IX30P參數(shù)，比例增益提供系統(tǒng)所需的剛性（快速性）-83886088388607缺省為2000數(shù)值越大，系統(tǒng)剛性越好，但太大會(huì)產(chǎn)生振蕩。太小系統(tǒng)會(huì)反應(yīng)遲緩。IX33I參數(shù)，積分增益用于消除穩(wěn)態(tài)誤差（準(zhǔn)確性）08388607缺省為1280與IX63時(shí)間積分誤差有關(guān)；如果輸出飽滿，IX33無效。IX34積分模式?jīng)Q定積分增益是全程有效還是只在速度為0時(shí)才有效0缺省為1IX34=0 積分增益全程有效IX34=1 積分增益只在速度為0時(shí)有效IX31D參數(shù)，微分增益用于提供足夠的阻尼以保證系統(tǒng)穩(wěn)定（穩(wěn)定性）-838

36、86088388607缺省為1280數(shù)值越大，阻尼越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定表2-2 前饋參數(shù)變量參數(shù)作用調(diào)整值域數(shù)值影響IX32速度前饋減小由于微分增益的引入所引起的跟隨誤差08388607缺省為1280對(duì)電流環(huán)，IX32應(yīng)等于或略大于IX31。對(duì)速度環(huán)，IX32應(yīng)遠(yuǎn)大于IX31。IX35加速度前饋減小由于系統(tǒng)慣性所帶來的跟隨誤差08388607缺省為0反應(yīng)滯后特別明顯時(shí)，增加IX35表2-3 其他相關(guān)參數(shù)變量參數(shù)作用調(diào)整值域數(shù)值影響IX29模擬量輸出偏差校正PMAC的模擬量輸出與放大器模擬輸入之間的誤差-3276832767缺省為0數(shù)值上應(yīng)與修正電壓計(jì)的模擬輸出相等IX69模擬量輸出極限用于限制PMAC中模擬量輸出的大小032767缺省為20480如果控制環(huán)送出的模擬量大于該值，則模擬量輸出大小將被它限制Pewin32Pro軟件為用戶提供了調(diào)節(jié)的工具，即可使用自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)的功能，又可手動(dòng)輸入?yún)?shù)，通過分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和正弦曲線響應(yīng)來評(píng)估系統(tǒng)特性，其中階躍響應(yīng)曲線用于評(píng)估PID參數(shù)得調(diào)整，正弦曲線響應(yīng)用來評(píng)估前饋參數(shù)的調(diào)整。以下簡要的說明手動(dòng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的指導(dǎo)原則。運(yùn)行Pewin32Pro軟件后，點(diǎn)擊Tool菜單下的Pmac tuning pro菜單打開Pmac tuning 程序，彈出如圖2-2所示窗口。其中的AUTO按鈕和INT