測(cè)速編碼器說(shuō)明書(shū)

1、BEN測(cè)速編碼器在智能車(chē)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(pán)、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(cè)。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(chē)，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(chē)模能否以最佳速度順利通過(guò)彎道。車(chē)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(cè)智能車(chē)，舵機(jī)的響應(yīng)速度及其轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比將直接影響車(chē)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(chē)模在進(jìn)入彎道時(shí)能夠檢測(cè)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(chē)模在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中時(shí)常偏離跑道，且速度越快，偏離越遠(yuǎn)，極大限制車(chē)模在連續(xù)彎道上行駛的最大時(shí)速，使得車(chē)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(zhǎng)舵機(jī)力臂的方案來(lái)彌補(bǔ)這一缺陷，加長(zhǎng)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(pán)上增加長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shuō)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(chē)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(guò)試驗(yàn)反復(fù)測(cè)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(kāi)的。賽前車(chē)模訓(xùn)練的路線與實(shí)際比賽的路線相差甚遠(yuǎn)，若車(chē)模自適應(yīng)性調(diào)整不好，車(chē)模會(huì)在連續(xù)彎道處頻繁的偏轉(zhuǎn)。賽道的變更給車(chē)模的適應(yīng)性和穩(wěn)定性帶來(lái)了一定挑戰(zhàn)。為了使得車(chē)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(chē)速，使得車(chē)模在急轉(zhuǎn)彎和下坡時(shí)不會(huì)因速度過(guò)快而沖出賽道。因此，利用霍爾傳感器檢測(cè)車(chē)模瞬時(shí)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)模速度的閉環(huán)反饋控制，小車(chē)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(chē)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?chē)?？焖倨椒€(wěn)行駛。 

7、0;  基于霍爾效應(yīng)，固定在轉(zhuǎn)盤(pán)附近的霍爾傳感器便可在每個(gè)小鋼磁通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲袦y(cè)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(pán)上小鋼磁的數(shù)目越多，確定傳感器測(cè)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(yǔ)    為了參加第四屆“精芬”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)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(jī)，成功入選。實(shí)踐證明了智能車(chē)舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向和霍爾控制測(cè)速優(yōu)化方案具有可行性和實(shí)用性。檢查原圖（大圖）加長(zhǎng)力

8、臂后欲使前輪轉(zhuǎn)動(dòng)類(lèi)似角度時(shí)，在舵機(jī)角速度類(lèi)似的條件下舵機(jī)力臂加長(zhǎng)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(lèi)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(chē)模時(shí)發(fā)覺(jué)，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(lèi)似的條件下，力

9、臂越長(zhǎng)，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(zhǎng)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(cè)試。 3 霍爾傳感器的使用由于在賽前競(jìng)賽賽道的幾何圖形是未公示的。賽前車(chē)模訓(xùn)練的路途與實(shí)踐競(jìng)賽的路途相差甚遠(yuǎn)，若車(chē)模自順應(yīng)性調(diào)整不好，車(chē)模會(huì)在延續(xù)彎道處頻繁的偏轉(zhuǎn)。賽道的變卦給車(chē)模的順應(yīng)性和固定性帶來(lái)了必須挑釁。為了使得車(chē)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(chē)速，使得車(chē)模在急轉(zhuǎn)彎和下坡時(shí)不會(huì)因速渡過(guò)快而沖出

10、賽道。因而，使用霍爾傳感器檢測(cè)車(chē)模瞬時(shí)速度，完成對(duì)車(chē)模速度的閉環(huán)反應(yīng)控制，小車(chē)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(chē)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?chē)模高速顛簸行駛?；诨魻栃?yīng)，固定在轉(zhuǎn)盤(pán)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(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲袦y(cè)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(pán)上小鋼磁的數(shù)目越多，確定傳感器測(cè)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(cè)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(chǎng)合，如位置伺服系統(tǒng)。電機(jī)控制系統(tǒng)中的位置檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)的方法。一、BEN編碼器的介紹：光電編碼器是通過(guò)讀取光電編碼盤(pán)上的圖案或編碼信息來(lái)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(guò)讀取編碼盤(pán)上的二進(jìn)制的編碼信息來(lái)表示絕對(duì)位置信息的。編碼盤(pán)是按照一定的編碼形式制成的圓盤(pán)。圖1是二進(jìn)制的編碼盤(pán)，圖中空白部分是透光的，用“0”來(lái)表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”來(lái)表示。通常將組成編碼的圈稱(chēng)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(pán)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(pán)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(cè)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(chǎng)合，如位置伺服系統(tǒng)。電機(jī)控制系統(tǒng)中的位置檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)的方法。一、BEN編碼器的介紹：光電編碼器是通過(guò)讀取光電編碼盤(pán)上的圖案或編碼信息來(lái)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(guò)讀取編碼盤(pán)上的二進(jìn)制的編碼信息來(lái)表示絕對(duì)位置信息的。編碼盤(pán)是按照一定的編碼形式制成的圓盤(pán)。圖1是二進(jìn)制的編碼盤(pán)，圖中空白部分是透光的，用“0”來(lái)表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”來(lái)表示。通常將組成編碼的圈稱(chēng)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(pán)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(pán)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(pán)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(pán)、光敏二極管和驅(qū)動(dòng)電子線路。當(dāng)碼盤(pán)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(pán)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(cè)的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤(pán)、鑒向盤(pán)、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(pán)旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤(pán)的上面有與其平行的鑒向盤(pán)，在鑒向盤(pán)上有兩條彼此錯(cuò)開(kāi)90o相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤(pán)透過(guò)來(lái)的信號(hào)。工作時(shí)，鑒向盤(pán)不動(dòng)，主光柵碼盤(pán)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤(pán)，通過(guò)主光柵碼盤(pán)和鑒向盤(pán)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(cè)電機(jī)的位置和速度。二、BEN編碼器的測(cè)量方法：光電編碼器在電機(jī)控

17、制中可以用來(lái)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)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(lái)測(cè)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(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體的測(cè)速方法有M法、T法和M/T法3種。M法又稱(chēng)之為測(cè)頻法，其測(cè)速原理是在規(guī)定的檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說(shuō)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(cè)脈沖數(shù)M1以減小誤差，可以增大檢測(cè)時(shí)間Tc單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測(cè)量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在0.01秒以下。由此可見(jiàn)，減小測(cè)量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。M法測(cè)速適用于測(cè)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(cè)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(chēng)之為測(cè)周法，該測(cè)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(cè)速適用于低速運(yùn)行的場(chǎng)合。但轉(zhuǎn)速太低，一個(gè)編碼器輸出脈沖的時(shí)間太長(zhǎng)，時(shí)鐘脈沖數(shù)會(huì)超過(guò)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(zhǎng)也會(huì)影響控制的快速性。與M法測(cè)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(cè)量的快速性與精度。M/T法測(cè)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(kāi)始定時(shí)，同時(shí)開(kāi)

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(lái)時(shí)刻，時(shí)鐘脈沖才停止記錄。采用M/T法既具有M法測(cè)速的高速優(yōu)點(diǎn)，又具有T法測(cè)速的低速的優(yōu)點(diǎn)，能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍，測(cè)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(lái)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(guò)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(yǔ)：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(lái)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(pán)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(cè)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(shuō)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(pán) 3 轉(zhuǎn)盤(pán)縫隙 4 遮光板 A B C 光敏元件光電圓盤(pán)與被測(cè)軸連接，光線通過(guò)光電圓盤(pán)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(lái)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(cè)速原理：在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有以下三種：（1）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測(cè)量所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)獲得被測(cè)速度，稱(chēng)為M法測(cè)速；（2）測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間來(lái)測(cè)量速度，稱(chēng)為T(mén)法測(cè)速；（3）同時(shí)測(cè)量檢測(cè)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(lái)測(cè)量速度，稱(chēng)為M/T法測(cè)速。以上三中測(cè)速方法中，M法適合于測(cè)量較高的速度，能獲得較高分辨率；T法適合于測(cè)量較低的速度，這時(shí)能獲得較高的分辨率；而M/T法則無(wú)論高速低速都適合測(cè)量。由于PMA

25、C控制器采用的是T法測(cè)速，所以以下只對(duì)T法測(cè)速進(jìn)行介紹。T法測(cè)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(pán)反饋的相鄰兩個(gè)脈沖來(lái)控制，原理圖見(jiàn)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(cè)速原理其中P為碼盤(pán)一圈發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)即碼盤(pán)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(cè)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(shuō)明測(cè)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(cè)速的分辨率為Q=60fc/Pm1-60fc/P（m1+1）= n2M P/（60fc+ nMP） （2）由上式可見(jiàn)隨著轉(zhuǎn)速nM的降低，Q值越小，即T法測(cè)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(cè)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(pán)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(wú)誤后打開(kāi)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(kāi)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(lái)回運(yùn)動(dòng)起來(lái)，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(xiě)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(chē)，（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(pán)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(xiě)表1-2。8、  總結(jié)觀測(cè)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(pán)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(guò)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(lái)為3就改成2，原來(lái)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(kāi)環(huán)失去控制），使X軸碼盤(pán)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(lái)為2就改成1，原來(lái)為6就改為5，切不可搞錯(cuò)，理由同步驟7），使X軸碼盤(pán)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(xiě)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。現(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(guò)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(chǎng)合的要求，用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)的要求來(lái)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(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)能夠解決大部分的系統(tǒng)特性問(wèn)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(wú)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(lái)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(guò)分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和正弦曲線響應(yīng)來(lái)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(lái)評(píng)估前饋參數(shù)的調(diào)整。以下簡(jiǎn)要的說(shuō)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(kāi)Pmac tuning 程序，彈出如圖2-2所示窗口。其中的AUTO按鈕和INT