光电编码器辨向电路.doc

光电编码器 速度位置的数据在电机控制中起着非常重要的作用，其检测到的精确性能够直接影响电机控制的精度。速度的测量方法有多种，如感应式转速传感器、测速发电机、光电式转速传感器、霍尔转速传感器以及旋转变压器式转速传感器等。但目前调速系统速度以及位置反馈控制中应用较多的为光电编码器。 光电编码器是一种高精度的数字化检测仪器， 是现代伺服系统广泛应用的角位移或者角速度的测量装置，它可以通过光电原理，将一个机械装置的角度或者位移量转化为电信号（数据串或者脉冲信号）。光电编码器可分为绝对式和增量式两种，其中，绝对式光电编码器具有输出信号与旋转信号对应的特点，但是精度欠缺，成本高；增量式光电编码器输出信号为脉冲信号，脉冲个数和相对旋转位移相关，与旋转的绝对位置无关，成本相对于绝对式更低，并且精度高、体积小、响应快、性能稳定等特点。 如果预先设置一个基准位置，则可以利用增量式编码器完成绝对式编码器的功能，即也可以测出旋转的绝对位置。 实现绝对式编码器的功能，也即可以测出旋转的绝对位置。增量式光电编码器在高分辨率、大量程角速率、位移的测量中，它更具有优势。因而，在这个手指康复机器人系统中采用增量式光电编码器。 增量式光电编码器主要是由机械系统、数据扫描系统和电气系统三个部分组成。其中机械系统主要负责外壳和转动的支撑作用。电气系统的作用主要是保护、放大、抗干扰以及数据传输等等。 增量式光电脉冲编码器由光源、聚光镜、挡光板、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。 在光电码盘上刻度盘上均匀分布一定数量的光栅，光挡板（检测光栅）上刻有A、B相两组与光电码盘上光栅相对应的透光缝隙。增量式光电脉冲编码器工作时，光电码盘随着工作轴旋转，但是光挡板（检测光栅）保持不动。有光同时透过光电码盘和检测光栅时，电路中产生逻辑“1”信号，没有透光时产生逻辑“0”信号，从而产生了A、B两相的脉冲信号。由于检测光栅上的A、B相两个透光缝隙的节距与光电码盘上光栅的节距是一致的，并且这两组透光缝隙错开四分之一的节距，从而使得最终信号处理输出的信号存在90°的相位差。在大多数情况下，如若直接由编码器的光电检测器件获取信号，信号的电平较低，波形也不规则，不能适应于信号处理、控制和远距离传输的要求。所以，在编码器内还必须将此信号放大、整形。经过处理的输出信号近似于正弦波或者矩形波。由于矩形波输出信号易于进行数字处理，所以矩形信号输出在定位控制中得到广泛的应用。 正因为增量式光电编码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。 正转和反转时AB两路脉冲的超前、滞后关系相反。如上图，在B相的上升沿，如果A相是高电平，则表明电机正转；在B相的上升沿，如果A相是低电平，则表明电机反转。通过辨向电路就可以轻松地判断出电机的旋转方向。增量式光电编码器中还有用作参考零位Z相标志脉冲信号，每当光电码盘旋转一周，就会发出一个标志信号。Z相标志脉冲通常用做系统坐标的原点，或清零信号，以减少测量的积累误差。 只有当输入电压有足够的变化时，才能引起输出信号的变化，施密特触发器所具备的指滞回特性，表明施密特触发器具备一定的记忆能力，回差电压的存在，使得施密特触发器具有较强的干扰能力。 实际的电路中，我们采用74HC14D六反相施密特触发器进行A、B、Z三相信号的整形。 解码分离电路 光电编码器辨向线路采用74HC74芯片。74HC74是一款高速CMOS器件，它是双路D 型上升沿触发器。引脚D是带独立数据输入端，CP是时钟输入端，是直接复位端（低电平有效），是直接置位端（低电平有效），和是触发器的互补输出端。 CP D L H × × H L H L × × L H L L × × H H ↑ H H L H H ↑ L L H H H L × H 代表高电平；L代表低电平； 代表输入条件建立前的的电平； 代表输入条件建立前的的电平； ↑ 代表电平由低到高的上升沿； × 代表任意值； * 代表当和变为高电平时，输出不稳定。 下面是光电编码器辨向电路在Multisim中的电路仿真。 设定的输入信号为1kHz，周期T=1/f=1/1000Hz=0.001s。相位差为90°，即两相输出有一个延时0.00025s。当编码器正转时，A相输出信号超出B相90°时，如下设置函数发生器的参数： A相脉冲 B相脉冲 两相输入和输出波形如下： 当编码器反转时，B相输出信号超出A相90°，如下设置函数发生器的参数： A相脉冲