光电编码（精选7篇）
光电编码 篇1
1、前言
在数控机床的控制系统中, 为保证数控机床的加工精度要求, 检测装置则是数控机床的重要组成部分。用以准确的测量出当前工作台的位移量或丝杠的转角, 并将测量结果反馈给控制系统。建立完善的闭环数控系统是数控机床保证加工精度的前提。精密的检测装置是数控机床加工精度的重要保证。
2、检测装置的种类
数控检测装置从不同的角度看可分为不同的类型;
(1) 按测量方法分为增量式和绝对式两大类。绝对式是指直接把被侧转角或位移转换成相应的代码, 指示出绝对位置, 没有累积误差, 而且除电源后位置信息不会丢失;增量式检测装置是测出被测转角或位移量的相对值, 通常以滑尺相对定尺的位移量, 且以机床或工件上某一点为参考点, 反映工作台或刀具相对某参考点的增量。
(2) 按检测装置的运动形式分为旋转型和直线型两类。直线型位置检测装置用来测量运动部件的直线位移量;旋转型位置检测装置用来检测回转部件的转角量 (转动位移量) 间接测量其直线位移量。从信号的转换原理可分为光电效应、光栅效应、电磁感应、压电效应、磁阻效应等类型的检测装置。
3、脉冲编码器分类和结构
脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。它把机械转角变成电脉冲, 是一种常用的角位移传感器。脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。光电式的精度与可靠性都优于其他两种, 因此数控机床上只使用光电式脉冲编码器。
增量式光电脉冲编码器最初的结构就是一种光电盘。在一个圆盘的圆周上分成相等的透明与不透明部分, 圆盘与工作轴一起旋转。此外还有一个固定不动的扇形薄片与圆盘平行放置, 并制作有辨向狭缝 (或狭缝群) , 当光线通过这两个作相对运动的透光与不透光部分时, 使光电元件接受到的光通量也时明时暗地连续变化 (近似于正弦信号) , 经放大、整形电路的变换后变成脉冲信号。通过计量脉冲的数目和频率即可测出工作轴的转角和转速。
4、光电脉冲编码器电路的工作原理
以CZ6132数控车床主轴电机上所使用的SZLF-102.4BM-C05L光电脉冲编码器为例, 分析电路工作原理。原理图如图1所示。
该脉冲编码器是采用圆光栅的光电脉冲编码器。每转产生1024个脉冲, 光线由光源G发出, 当光线透过圆光栅和指示光栅的线纹后, 在光电元件上形成明暗相间按正弦规律分布的莫尔条纹, 当圆光栅随电机转动时, 莫尔条纹也相应的移动, 则光电元件上的光线强弱发生变化, 光电元件将变化的光信号转换成近似正弦波的电信号。D1、D3为A组, D2、D4为B组, 每组的两个光电元件在莫尔条纹光线上的对应位置相位相差180度, 两组所对应的元件D1与D2 (D3与D4) 在相位上相差90度。两组光电元件产生相位相差90度的正弦波的信号, 两组信号分别加到电压比较器A1、A2。以图中A相为例分析信号传输过程。在正弦波正半周时, A1同相端IC1 (LM339N 9脚) 为高电平, 反相端IC1 (8脚) 为低电平 (电位差只有零点几伏) , 经比较器A1 IC1 (14脚) 输出高电平 (+5V) 。相反, 在正弦波的负半周, A1同相端IC1 (9脚) 为低电平, 反相端IC1 (8脚) 为高电平, (14脚) 输出低电平 (0V) 。A1的输出IC1 (14脚) , 直接送到IC2 (KS74HCTLS12N) 的3、4、5脚 (为三输入端的与非门, 三个输入端接到一起作为非门电路使用) , IC2的6脚输出经R13, 送到IC3 (MC3487N) 的7脚, 经功放处理, 由IC3的5、6脚输出, 6脚输出信号与输入信号相位相同, 5脚输出信号与输入信号相位相反。
在应用时, 从脉冲编码器输出的四个方波被引入位置控制电路, 经辨向和乘以倍率后, 变成代表位移的测量脉冲。经频率---电压变换器变成正比于频率的电压, 作为速度反馈信号, 供给速度控制单元, 进行速度调节。
5、结语
数控检测系统的种类比较多, 这里给出了光电脉冲编码器的电路原理图, 介绍了编码器的结构及工作原理, 详细分析并画出了正转时电路中个点的信号波形。从光源、光电元件到信息处理电路, 都从原理上作了细致的分析。力求达到了通俗易懂的目的。
摘要：本文以光电编码器为例介绍了数控检测系统的种类, 详细分析了光电编码器的结构原理。分析SZLF-102.4BM-C05L光电脉冲编码器电路原理, 把机械转角通过光电转换元件将变化的光信号转换成近似正弦波的电信号, 然后由放大电路、整形电路、经频率---电压变换器变成正比于频率的电压, 作为速度反馈信号, 供给速度控制单元, 进行速度调节。
关键词：编码器,增量式,圆光栅,莫尔条纹,光电效应
参考文献
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[5]任建平.现代数控机床故障诊断及维修[M].北京:国防工业出版社, 2005.1.
浅谈光电编码器的应用 篇2
1 光电编码器简介
光电编码器, 是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器[2], 它具有体积小、分辨度高、寿命长等特点, 由光电码盘和光电元件组成, 由于光电码盘与电动机同轴, 电动机旋转时, 光栅盘与电动机同速旋转, 经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号, 其原理示意图如图1所示。光电编码器分为绝对式和增量式两种类型, 下面将分别介绍。
1.1 增量式光电编码器
增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲, 然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数, 以此来表示转过的角位移量。它的优点是原理构造简单, 机械平均寿命可在几万小时以上, 抗干扰能力强, 可靠性高, 适合于长距离传输;其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
1.2 绝对式光电编码器
绝对编码器是直接输出数字量的传感器, 在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道, 每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成, 当码盘处于不同位置时, 各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号, 形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器, 在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然, 码道越多, 分辨率就越高, 对于一个具有N位二进制分辨率的编码器, 其码盘必须有N条码道。它的特点是可以直接读出角度坐标的绝对值;没有累积误差;电源切除后位置信息不会丢失。
2 光电编码器的实际应用
2.1 在数控机床上的配套应用
1) 配套伺服电机。编码器常用于数控机床上的伺服电机配套使用, 特别是绝对式编码器在定位精度和高速运行方面无法比拟的优势, 在高速高精的数控机床上应用越来越广泛。绝对式光电编码器安装在伺服电机上的作用有:a.提供电动机的定、转子之间的相互角度位置和电子电路配合, 使得三相绕组中流过的电流和转子位置转角成正弦函数关系, 彼此相差120°电度角。三相电流合成的磁动势在空间的方向总是和转子的磁场成90°电度角 (超前) , 以产生最大可能的转矩, 实现矢量控制;b.通过频率/电压转换电路, 提供电动机的转速反馈信号;c.提供数控系统的位置反馈信号[4]。
2) 配套机床主轴。使用数控机床加工特殊零件时, 也需要配备光电编码器。例如, 数控车床车螺纹或丝杆时, 需要配置光电编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件, 利用其同步脉冲信号作为车刀进刀点和退刀点的控制信号, 从而保证车削螺纹或丝杆不会乱扣。光电编码器与主轴同轴安装, 同步转动, 在切削螺纹时解决主轴旋转与坐标轴进给的同步控制, 保证主轴每转一周, 刀具准确的移动一个导程;同时, 螺纹加工要经过几次切削才能完成, 每次重复切削时, 开始进刀的位置必须相同。为了保证重复切削不乱牙, 数控系统在接收到光电编码器中的一转脉冲后才开始螺纹切削的计算。此外, 主轴编码器也可作为主轴准停装置的准停信号。
2.2 在电梯上的配套应用
人们对电梯的要求不断提高, 不仅运行速度要更快, 提升高度要更高, 还要求平稳启动和连续加速、柔和制动以及准确抵达目的位置等, 这就要求对驱动控制提出了更高要求。光电编码器在电梯上的作用有:1) 在控制方面, 驱动电机需配用绝对式编码器, 准确提供转子位置;2) 另外, 可以选择绝对式编码器或者带换向信号的增量式编码器提供位置信息;3) 为了及时制动电梯轿厢, 无加加速而且定位准确, 同样需要选择合适的编码器, 提供数字轴的定位功能;4) 电梯门的驱动也同样需要配置紧凑型的编码器, 来准确提供梯门位置信息。
2.3 在重型机械设备的配套应用
随着工业控制的不断发展, 接近开关、光电开关的应用已不能满足现有的要求, 光电编码器在重型机械设备上的应用越来越广泛。其可应用于各类纺织机械、灌溉机械、港口起重机械、钢铁冶金机械等重型设备中。其优点主要体现在:1) 信息化:具有定位和准确位置;2) 柔性化:定位可以在控制室柔性调整;3) 无损耗, 由于是光电码盘, 无机械损耗, 只要安装位置准确, 其使用寿命往往很长;4) 多功能化:除了定位, 还可以远传当前位置, 换算运动速度;5) 经济化:对于多个控制工位, 只需一个旋转编码器的成本, 以及更主要的安装、维护、损耗成本降低, 使用寿命增长, 其经济化逐渐突显出来。
3 结束语
未来的光电编码器的应用将会非常广泛, 其技术性能将倾向高精度、集成化、小型化、低成本、网络化数据传送的方向发展;同时, 配套重型机械设备的工作环境一般较为恶劣, 要求光电编码器提高自身的防护能力和耐用性;另外, 不同的市场对编码器的要求不尽相同, 这要求市场上编码器产品的种类要更加丰富, 市场细分更加明确, 适用各种需求类型的客户。最后, 国内编码器制造企业应努力追赶国际一流的编码器制造企业, 振兴我国的民族编码器工业。
摘要：光电编码器广泛应用于工业控制领域, 分为增量式和绝对式两种类型, 本文主要介绍了光电编码器在数控机床、电梯以及重型机械设备上的应用及其优点, 展望了未来编码器的发展方向。
关键词：编码器,应用
参考文献
[1]姜燕平.编码器杂谈[J].机器人技术与应用, 2007.
[2]彭雨.基于FPGA的绝对式光电编码器通信接口研究[D].武汉:华中科技大学, 2011.
[3]姜义.光电编码器的原理与应用[J].机床电器, 2010.
光电编码器使用中相关问题分析 篇3
分装式 (环状编码器、读数装置) 编码器产品, 到目前为止主要有两个系列, 锥度 (A标准、“taper”) 安装和小型化数字读数装置是其特有技术, 可以有效地降低安装对测量精度的影响。
二、精度问题
分装式编码器测量精度大体上分为三个部分:
刻度精度, 反映环状编码器制造水平;
系统精度, 反映刻度误差与读数装置细分误差 (SDE) 的综合水平;
安装精度, 反映环状编码器与读数装置实际安装水平。
分析角度编码器精度时经常应用的一个基本概念是:角度误差与圆周弦误差 (chordal error) 的等效性, 如图1、公式 (1) 。
式中:ec表示圆周弦误差;φ表示角度误差;D为测量直径。
换句话说, 在测量半径上的圆周弦误差ec可以通过公式 (1) 等效于角度测量误差φ, 反之亦然。
1、刻度精度
刻度精度 (GA) 定义为:单读数头情况下, 编码器测量角位置与真实角位置间的偏差 (不含读数装置细分误差SDE) 。
对于R E S R、R E S M编码器, 刻度精度在数值上与编码器环的刻线直径D0有关, 一般有如下关系:
2、系统精度
对于R E S R、R E S M编码器, 系统精度定义为:编码器刻度精度及读数装置SDE的综合 (不含安装误差) , 即:系统精度=刻线精度+S D E。
读数装置细分误差 (S D E) 与编码器刻线直径、刻线间距和读数装置性能有关, 一般为刻线间距的周期函数。正常的安装情况下 (读数头s e t-u p灯为绿色) , 典型的S D E幅值如下:
20μm刻线间距, RGH20读数头时, SDE=±0.15μm;
20μm刻线间距, RGH20F读数头时, SDE=±0.1μm;
4 0μm刻线间距, R G H 2 0读数头时, S D E=±0.4μm;
RESM系列, 20μm刻线间距, Si GUM读数头时, SDE=±0.04μm。
由公式 (1) 计算不同直径的编码器S D E的角度误差见表1。
3、安装精度
安装精度定义为:在环形编码器、读数装置改变了最初安装条件 (出厂检测) 后, 编码器系统精度与安装引起的对精度影响的综合, 即:安装精度=系统精度+安装影响。
安装对编码器精度的影响是重要的, 也是复杂的, 安装带来的误差可占编码器总误差的6 0%以上, 一般可分为:偏心和形变、倾斜、轴跳影响三项。当下述安装条件满足时, 不同直径的编码器的典型安装精度见表2。
A标准结构R E S R“t a p e r”安装、单读数头;
在固定螺钉位置的径向跳动不大于±3μm;
各个螺钉的固紧力矩符合安装指南推荐的范围;
假定轴系运动可重复性成立。
1) 偏心和形变对精度的影响
编码器偏心和形变对精度的影响是指:编码器几何中心与旋转轴中心不重合或编码器几何形状不是理想的圆形而对角度测量精度的影响。其影响来自于:这种情况下, 测量角相对应的编码器圆周上的刻线弧长偏差, 即被测角对应的编码器刻线弧长不等, 从而编码器的测量 (读数) 与实际转角不等。
a) 偏心对精度的影响
从公式 (2) 可以看出, 编码器旋转中心与几何中心不重合时, 偏心引起的角度测量误差是旋转角的一次周期函数, 最大值如同公式 (1) 。
b) 形变对精度的影响
在编码器刻线均匀一致的前提下, 编码器是通过测量刻线弧长上所具有的刻线数目来确定旋转角度。形变带来弧长的变化 (如图2) 将起刻线数的变化, 从而引起测量角度与运动角度的不一致, 带来测量误差。这一关系可通过下述关系表示:
式 (3) 中:R0为编码器的旋转中心到刻度面的等效测量半径;Δr为相对于编码器标称半径的变化。进一步有:
式中:a和b分别为椭圆的长、短轴, eov为椭圆相对于编码器标称直径的偏离。
因此有:
椭圆形变引起的测量误差在数值上比偏心小一倍, 随着半径变化谐波次数的升高, 同样大小的形变引起的测量误差减少, 减少的幅度与谐波次数成正比。1μm椭圆形变对不同直径编码器的精度影响如表3。
表3不同直径编码器的椭圆形变影响 (eov=1μm)
编码器固定螺钉引起的形变对测量精度的影响见表4, 其周期性谐波次数与安装用的螺钉个数相同。
表4不同直径编码器的安装精度
c) 轴系跳动对精度的影响
轴系跳动可分为:重复性误差和非重复性误差两部分。对精度的影响结果与偏心、形变相同。重复性误差可通过安装调整、补偿手段最小化。非重复性误差的影响可能通过多读数头的方法减小, 取决于应用场合。值得注意的是, 采用内置轴承的组装式编码器对轴系跳动的影响并不具有显著的改善。
d) 倾斜安装对精度的影响
编码器安装时可能会与旋转轴有倾斜角, 如图4。
编码器安装倾斜角对精度的影响包含三种机制, 每一种影响都不显著。
倾斜角将引起编码器刻线的表面的轴向跳动。0.1°倾斜角给200mm直径编码器带来±0.175mm轴向跳动, 引起的测量误差在角秒量级。如果, 此时读数头安装有1mm轴向偏移, 这将引起约±3.6″测量误差。
倾斜角存在时, 编码器从正面看呈现为椭圆, 这将引起二次谐波周期性误差, 以上面例子 (0.1°倾斜角、200mm直径) 此项误差约为±0.16″。
安装倾斜角将引起编码器刻线的倾斜, 0.1°的刻线倾斜将带来约±0.6″的一次谐波周期性误差。
0.1°倾斜安装对不同直径编码器的轴向跳动影响见表5。表5倾斜角对不同直径编码器的轴向跳动影响 (γ=0.01°)
三、测量精度对转速控制的影响
误差对速度的影响与速度计算方式有关。通常的速度计算方式有两种:增量式或1/T计算方式和采样式或数字微分计算方式。
——增量式或1/T计算方式对编码器的每一个分辨力脉冲进行计算, 由当量位置获得速度信息, 即:V=Pn/T[当量脉冲数/每秒];
——采样式或数字微分计算方式按采样周期Ts采集顺序两个位置值, 并进行数字微分获得速度信息, 即:Vi= (Pi-Pi-1) /Ts。
当采样速率足够快时 (Ts足够小) , 每个Ts区间获得的位置差不大于一个分辨力脉冲当量, 两种计算方式相同。
由于V=ΔP/ΔT, 位置测量误差和时间间隔误差均引起速度计算误差, 一般时间间隔误差足够小, 可以忽略。
1、SDE误差的影响
SDE影响是由于编码器刻线内周期性位置误差对速度计算的影响。可以表示如下 (为了方便起见, 表示中用线性量纲, 线性量纲很容易通过编码器刻线直径转化为角度量纲) :
——S D E误差可以近似表示为:
参照表1情况, 不同的S D E误差对速度的影响见表6。
表6 SDE误差对速度的影响
速度V下速度误差波动的频率可以表示为:
表7速度波动频率 (1°/s, )
2、安装误差的影响
安装误差呈转角φ的周期性函数, 每圈的谐波次数与误差性质有关, 偏心为一次, 椭园为二次, 固定螺钉为八~十二次。与SDE误差相比, 其周期长, 因此是频率低、幅度小的误差。例如对于1 5 0 m m直径的编码器, 固紧误差5.7 6μm (2 N m) , 螺钉数量9, 引起的速度波动相对误差和频率计算为:
频率0.025Hz。
3、采样方式计算实例
4、编码器的速度限制
编码器的速度限制与分辨力和直径有关, 见表8。
表8不同直径和分辨力的编码器 (RESR/RESM) 速度限制
*:6MHz模式;+:12MHz模式;#:12MHz模式。
实际应用中的限制因素还与控制装置的最大接收频率有关, 表9显示了一定转速下不同直径和分辨力的编码器输出信号频率f1, 系统最高频率为:fM=f1×VM;VM为系统最大转速[o/s]。
表9不同直径和分辨力的编码器输出信号频率 (1o/s)
四、误差修正技术
减少误差的直接方法是增大编码器的尺寸, 但会受安装空间和速度的限制。另外两种常用方法是误差修正和多读数头技术。
1、误差补偿
误差补偿的前提是轴运动的重复性, 修正达到的程度与选择的采样点数有关, 最终达到的效果受SDE的限制, 较差的情况为SDE的两倍。结果表明:当采样点超过100时, 补偿精度可接近1″, 在30点左右时, 可在0.6″~5″范围, 与直径有关。表10列举了若干不同直径编码器 (20μm节距) 可达到补偿结果。
表10不同直径编码器典型误差补偿结果
误差补偿的局限性有:
非重复性轴系跳动不能补偿;
修正效果有时间限制, 需要更新;
系统条件发生变化后, 需要重新修正。
2、多读数头技术
编码器相对安装两个读数头将消除偏心引起的一次谐波误差, 减弱奇次谐波误差的影响。准确相对安装的二哥读数头系统将消除轴系非重复性跳动带来的编码器计数影响, 如图5所示。图5中编码器沿φ方向偏离位移a, 对于第1个读数头来说增加asinφ, 而对于第2个读数头来说减少asinφ, 两个读数头综合结果变化为0。以2 0 6 m m R E S R为例, 可以从±5″减小到±3″, 1.6倍。
当两个读数头位置不是正好相对安装, 而是有夹角ψ时, 部分误差被补偿, 分析如下:
图6中, 两读数头夹角ψ;编码器沿θ方向位移a。按读数头偏移方向分解矢量a为x1和x2, 计算有:
表11双读数头失调误差的影响
使用更多的读数头, 可以进一步提高测量精度。作为经验, 采用两个或两个以上读数头信号平均测量, 一个基准信号测量时, 编码器刻线节距必须超过轴系跳动的3~4倍, 否则, 基准位置的重复性问题必须加以考虑。
五、小结
光电编码 篇4
光电编码器是一种高精度的数字式角度传感器。其集光、机、电于一体，以高精度计量圆光栅为测量元件，采用光电接收管接收光学信号，通过光电元件等组成的检测装置检测莫尔条纹的变化，并转化为电信号，可直接与处理电路连接进行细分计算，从而实现高精度测量及精密控制[1,2,3]。
光电编码器具有精度高、非接触、无磨损、可靠性高、测量范围广、体积小、重量轻、抗干扰能力强等优点，与其他同传感器相比具有明显的优势，在军事、航天、机器人、生物工程等领域的精密测量与控制设备中得到广泛应用[4]，已普遍应用于数控机床、雷达、光电经纬仪、高精度闭环调速系统等诸多领域[5,6,7]。由此可见，光电编码器对设备系统的性能具有显著的影响。对光电编码器精度的检测也成为一项重要的研究课题。
2 光电编码器原理
光电编码器主要由发光元件、光栅盘、狭缝、光电接收管、数据采集与处理电路组成[8,9,10,11]，其原理如图1所示。其中光栅盘即编码盘，是编码器的测量元件[12,13]。光栅式测量的基础为莫尔条纹技术。早在18世纪，莫尔条纹被法国人莫尔先生发现。这种光学现象的形成是两条线或两个物体之间相对运动发生干涉的视觉结果。两块光栅相对移动所产生图案即为莫尔条纹[14]。
编码器工作时，主轴带动编码盘一同转动，狭缝固定不动，发光元件发出的光透过编码盘和狭缝产生明暗相间的莫尔条纹，通过光电接收管将莫尔条纹由光信号转化为电信号。编码盘光栅转过一个栅距角，莫尔条纹信号即相应地变化一个周期，之后经数据采集与处理电路分析计算后，即可得到编码器旋转轴的速度、加速度、角度等信息[15,16]。
3 编码器的分类
编码器按照编码方式分为增量式编码器和绝对式编码器。
增量式光电编码器的编码盘如图2(a)所示，采用全周均匀刻划的方式，编码器每旋转一个分辨率角度，可相应输出一个脉冲信号。编码器的零位即是计数器值为0的位置，计数器通过对脉冲信号进行累加计数，输出相应的数字量角度值[17]。编码器正向和反向旋转对计数器产生的作用是不同的。编码器正向旋转时，计数器的数值递加，编码器反向旋转式，计数器的数值递减。
增量式编码器具有原理相对简单、处理电路较易实现的优点，速度较快。由于其编码盘只需刻画一圈码道，更易于实现小型化。
当然，增量式编码器也有自身的缺点:(1)稳定性较差、容易受外界干扰。(2)由于增量式编码器的位置跟零标志位有关，在突然掉电情况下，计数器中的数据无法保存。(3)增量式编码器对测量误差有积累作用[18,19,20,21]。
绝对式编码器的编码盘如图2(b)所示，编码盘对整个圆周进行编码，在编码盘的每个径向位置上的代码是唯一的。编码盘的机械位置决定编码器的输出值，光电接收管可直接读出编码器的当前位置。因此，在编码器的工作过程中，转过不同的角度位置时，都有一组唯一的代码与之对应，经过数字译码输出的角位置代码与转角即存在一一对应的关系[22]。
绝对式编码器具有以下优点:(1)绝对式编码器不受断电影响。(2)对环境适应能力强，具有很好的抗干扰性能，对误差有平均作用。(3)不产生积累误差[23]。
同样，绝对式编码器也有自身的不足之处。相比增量式编码器，绝对式编码器有制造过程复杂，生产难度大，不易实现小型化的缺点。
4 光电编码器检测技术的研究现状
目前，在科学技术的不断创新与发展中，航空、航天、机器人、生物工程等领域都取得了长足的进步，光电编码器也朝着高精度、高分辨力、小型化的方向不断发展。同时，对编码器的检测技术也提出了更高的要求。
4.1 编码器的常见检测方法及模型
直接比较法[24,25,26,27]是目前比较常见、使用比较多的编码器检测方法。其关键在于使用角度精度较高的器件作为基准(如多面棱体与自准直仪[28]或高精度编码器)与被测编码器转角进行比较，根据两者之间的插值得出被测编码器精度。直接比较法编码器检测模型可抽象成图3所示示意图。
1—角度基准2—连接轴3—联轴器4—被测编码器
用该方法检测编码器一般要求角度基准的精度要高于被测编码器精度3倍以上。角度基准与被测编码器要同轴转动。若同轴转动后角度基准旋转角位移为δa，被测编码器旋转角位移为δb，则被测编码器旋转角度误差δj=δb-δa。
4.2 国外编码器检测技术的现状
目前国外的编码器检测技术处于领先地位。俄罗斯、德国、日本等国的科研机构在研究编码器的检测设备上取得了较大进展。
俄罗斯圣彼得堡大学研究出一种动态激光测角装置，如图4所示。该装置由环形激光器、多面体，零位指示器等部件组成。其中环形激光器是主要的角度测量器件。被测编码器通过联轴器与环形激光器联接，并与旋转台、多面体及驱动装置同轴相连。驱动系统控制转台稳速旋转，转速范围为0.05～10 r·min-1。系统工作时，转台旋转，被测编码器、环形激光器与零位指示器三者测量的数据将同时输入计算机中进行计算处理。该系统有着较高的测量精度，其测角精度可达0.1″。但该装置复杂，且对工作环境要求较高，只能在理想的实验室条件下进行，难以推广[29]。
日本国家高级工业科技研究所提出了一种自动、高精度的编码器检测系统[30]。该系统利用了平均分配法(EDA)进行自我检测。系统使用两个参考编码器，与被测目标编码器同轴安装。系统采用空气轴承并利用无刷直流电机驱动，并将同时对参考编码器及目标编码器的分度进行检测。该检测方法的分辨率为0.001″，不确定度为±0.05″。该装置具有较高的精度，能够实现自动测量，但检测设备复杂昂贵，只适于实验室的条件下使用。
4.3 国内编码器检测技术的现状
国内的各个科研单位也在不断探索更加高效、高性能的编码器检测方法。长春光机所[31]的艾华、韩旭东等对传统的多面体棱镜检测法进行了改进，其装置如图5所示。将光学多面体与被测编码器同轴安装。利用激光器发出激光束，经多面体反射后，被带有光电接收管的光电接收器接收，并发出参考信号输出给计算机。同时，编码器的转角信号经处理电路也输出给计算机，并由计算机进行实时处理分析，从而完成对编码器的检测。其原理图如图5所示。该方法提高了检测效率，克服了度数和操作复杂的问题，但这种检测方法受棱镜精度的影响较大，装置昂贵，不利于推广。
1—被测编码器2—多面体3—激光器4—光电接收管
北京理工大学邓方等人研制出一种最高分辨率和全面统计的检测装置。该装置采用机械传动系统，配合步进电机，以蜗轮蜗杆对步进电机的输出角位移进行细分，由PC作为上位机，单片机作为下位机对检测系统进行控制和数据采集，能够实现最高18位的编码器误差检测，系统的分辨率为2.5″[32]。此装置对机械传动系统的精度要求较高。
长春光机所的杜颖财等人利用直流电机带动被检编码器搭建了增量式编码器自动检测硬件系统，如图6所示。该系统利用驱动电路控制电机匀速转动，然后利用Cortex-M3内核的STM32F107芯片设计了编码器误差采集电路，完成对编码器全周输出数据正交性、均匀性和幅值的采集，通过计算与比较，将编码器旋转全周内输出信号误差的最大值和幅值显示在液晶显示屏上[33]。该自动检测系统的调速范围可达30～110 r·min-1，经实验测试，系统能够检测出精度为40″的增量式编码器输出信号的误差。
长春光机所于海设计出一种小型绝对式光电编码器动态误差检测方法，系统示意图如图7所示。该装置利用高精度编码器作为基准，驱动电机带动基准编码器与被测编码器同轴转动进行检测。检测系统能实现转速在0～90 r·min-1范围内的小型绝对式光电编码器动态误差检测，检测系统精度为1.26"。该设备具有操作简单，检测精度高等优点，可在通常条件下对光电编码器进行动态误差检测。
1—被测编码器2—被测编码器托盘3—联轴节4—主轴5—电机联轴节6—基准编码器7—驱动电机8—系统支架9—计算机10—系统电箱
综上所述，国内外编码器检测技术的主要参数及优缺点如表1所示。
5 编码器检测技术的发展趋势
根据上文所述，了解到编码器的检测技术正在发展当中，还没有研制出一种完善的检测方法。国内的大多数检测方法的检测精度有限，且装置较为复杂，装调困难，不适合在工作现场使用。而国外的检测装置虽然有较高的检测精度，但装置昂贵，不适宜引进国内，且操作过程繁琐、对工作环境要求很高，仅适合实验室使用。
光电编码 篇5
光电编码器是利用光电效应原理, 将角度、位置、转速等物理量转化为电气信号并加以输出的一种传感器。光电编码器在工业控制和自动化领域应用非常广泛。适用于测量的物理量有:速度、长度、角度、位置。
二、增量式编码器简介
工作原理:光学编码器由一个中心有轴的光电码盘, 其上有环形通、暗的刻线, 当圆盘旋转一个节距时, 在发光元件照射下, 光敏元件得到A, B信号为具有90度相位差的正弦波, 这组信号经放大器放大与整形, 得到的输出方波, A相比B相超前90度, 其电压幅值一般为5V。当A相超前前B相时为正方向旋转, 若B相超前A相时即为负方向旋转, 利用A相与B相的相位关系可以判别编码器的的正转与反转, Z相产生的脉冲为基准脉冲, 又称零点脉冲, 它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲, 可获得编码器的零位参考位。它的优点是原理构造简单, 机械平均寿命可在几万小时以上, 抗干扰能力强, 可靠性高, 适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
三、系统构成
在重卷线一号张力辊上安装一个增量式编码器, 由于测量带钢的位置。编码器与FM458的通信扩展模块EXM438-1的X2接口相连接, 由CFC程序读出编码器的脉冲数, 由step7程序计算出带钢位置及速度。
四、软件编程
在CFC程序中用N AV块读出编码器的值, 示意图如下:
由此得到了焊缝的实际位置, 及一号张力辊的速度。
五、结束语
光电编码 篇6
关键词：光电编码器,数字译码,通用性,抗干扰性
1 引言
目前,在工业控制、航空航天等高精度计算机控制系统中,绝对式光电轴角编码器已经成为一种集光、机、电于一体的高精度测角装置。在控制系统中,它是反馈通道中的探测器,是决定控制系统精度指标的重要环节。作为编码器信号的处理电路,译码电路是与控制器连接的直接环节,它的性能好坏直接影响到光电编码器的精度损耗和整个控制系统的控制精度。
传统的绝对式光电编码器的输出光电流信号一般为200mA左右,译码电路通过对粗码信号放大整形、精码中精码信号差分放大调零、软件细分、校正等环节得到编码器的当前角度值[1]。但由于编码器内部器件的老化、温度湿度的影响以及编码器机械安装过程中存在的误差问题,编码器输出的光电流信号将产生变化。因此传统译码电路调试必须在编码器机械安装调试完毕后才能进行,这种串行的调试方式严重加长了轴角测量系统的调试时间,同时调试得到的译码电路不仅不具有通用性,而且抗干扰性能较差。本文提出的全数字译码设计方案,能有效地减少测角系统的整体调试时间,同时实现了译码电路的广泛通用性、环境适应性和可靠性,对实现工业化生产具有指导意义。
2 传统绝对式光电编码器译码电路工作原理
传统的译码电路原理框图如图1。
传统的绝对式光电编码器译码电路的工作原理是这样的,我们以中科院长春光机所生产的23位绝对式光电码盘为例,它的码盘输出主要由粗码、中精码和精码组成,各个码的输出波形分别为梯形波、三角波和正弦波[2]。因此各个码的前端处理电路有所不同,粗码采用比较放大电路将梯形波放大整形为占空比为1:1的方波,精码中精码则由于后续软件细分的需要而对其进行差分放大以及调零电路处理,得到幅值相等严格正交的两路正弦波信号。利用A/D采样模块对信号采样并将结果传送给DSP处理器,DSP处理器对接受的码盘信号进行译码、校正后得到当前码盘角度值,并予以显示。
3 光电编码器译码电路改进的思路
从图1中我们可以分析得到,23位码盘的输出共有20路信号,每路信号均需要有对应的模拟电路对其做前端信号处理,模拟电路规模较大。如果加上对径20路信号,那么模拟电路规模还将翻一倍,从实际工程考虑,模拟电路器件数量已经超过了整体译码电路的90%以上,这对整个电路的抗干扰性、调试复杂程度、可靠性、通用性以及成本等均是一个严重的威胁[3]。
鉴于传统译码电路存在以上种种弊端,本文的改进思路为:利用软件完全替代用作信号前端处理的模拟电路;为电路设计两种工作模式,参数整定模式和译码模式。经实验,上述改进思路一方面成功地消除了传统译码电路中模拟电路造成的调试十分复杂、抗干扰性差等问题,另一方面实现了译码电路关键参数的自动获取,有效地避免了人工测取过程中引入的误差,从而保证了译码精度,同时还很大程度地提升了译码电路的使用寿命。改进的译码电路的原理如图2。
4 改进方案可行性分析及实现
4.1 软件替代粗码比较放大电路功能的可行性分析
粗码比较放大电路如图3所示,粗码光电流经过采样电阻R1变为电压信号,该信号与比较电平进行比较得到整形后的方波信号,其中比较电平的选取一般为采样后电压的1/2。软件实现方法如下:首先,利用参数整定模式获取各路粗码峰值UF,于是可得到比较电平值UF/2。然后,将A/D采样后的粗码值在软件中与该比较电平比较可得完全相同的方波信号。可见,软件比较整形理论上可以完全实现比较放大电路的硬件功能。
4.2 软件替代精码中精码差分放大调零电路功能的可行性分析
精码中精码差分放大调零电路如图4。根据模拟电子学相关知识可知:
可见,完全可以用软件参数替代式(1)中电阻组成的参数值,因此用软件替代精码中精码差分放大调零电路是可行的。
5 译码电路的工作模式
传统的译码电路只有一种工作模式,即译码模式。这一设计方式的直接缺陷就是当码盘输出光电流信号受环境影响或者内部器件老化而产生变化时,由于内部参数无法随之变化而导致译码错误,从而严重影响了译码电路的使用寿命。鉴于此,本文提出了一种具有两种工作模式的新的译码电路设计方式很好地解决了上述问题。
5.1 参数整定模式
在译码程序中,参与译码的关键参数包括粗码的比较电平值(峰值/2)、中精码的上下峰值和精码的上下峰值,这些关键参数获取的是否精确直接影响了后续电子学细分误差的大小、译码和校正的正确性以及最终角度值的准确性。
传统的译码电路中,上述参数的获取是通过人工测试信号观察示波器得到,这种方法引入了大量的人为误差。本文设计的参数整定模式工作方式如下:选通参数整定模式,缓慢转动码盘(转动角度>180o),译码电路将自动计算信号的上下峰值并保存于存储器中,供译码工作模式使用。
5.2 正常译码模式
由于在参数整定模式中,译码电路已经获取了适应目前环境的关键参数值,因此选通正常译码模式,译码电路便可以正常工作得到角度值。
6 改进方案与传统方案比较
传统的光电码盘译码电路由于其硬件设计的固有原因,存在着如下明显的弊端。
1)粗码和精码的放大和差分放大电路内含大量电阻和可调电阻,为各路信号选配精确的电阻值工作繁琐,电路调试复杂程度很高,而且无法实现机械装调和译码电路调试的并行运行。
2)调试时,精码信号幅值和零漂的调整依赖人工手动调节可变电阻值和人为地观察示波器波形实现,不仅自动化程度很低,而且引入的信号幅值误差导致后续译码中的细分误差严重增大。
3)硬件电路的设计无法适应光电码盘信号强度随环境条件改变和自身老化产生的变化,导致译码电路寿命较低。改进的浮动比较电平法忽略了信号之间光电流强度的差异,不具实用性,且给译码电路的硬件和软件均带来了较大负担。
4)粗码比较放大电路的输入电平在恶劣环境下极容易被高频噪声干扰,噪声信号很容易穿越比较电平,导致源码信号产生跳变,导致译码结果跳变。
相对于传统译码电路的以上弊端,新的光电轴角编码器译码方式存在着明显的优势。
1)利用软件完全替代和实现了传统电路中的粗码比较放大电路和精码、中精码差分放大电路的功能,使电路硬件得到大幅度简化,大大降低了电路调试的复杂度,有效避开了模拟器件容差等因素带来的误差。
2)为电路设计两种工作模式,参数重整模式和译码模式。该设计的存在使得光电码盘的机械装调和译码电路的调试可以有效地分开,实现二者的并行调试和译码电路对不同码盘的通用性。与此同时有效地解决了光信号衰减导致的译码电路使用寿命较短的问题,大大延长了译码电路的使用寿命。
3)由于信号幅值的放大均采用软件放大形式,精码Sin和Cos信号放大幅度相同,有效地降低了精码信号幅值不同引起的细分误差,提高了精码译码的准确性。
新旧译码方案比较如表1所示。
7 实验结果比较
为说明改进译码电路的优越性,把改进译码电路和传统译码电路在具有环境因素影响的情况下的细码译码结果曲线加以比较,可见当码盘内部器件由于老化导致光电流信号减弱时,传统的译码电路的细码译码结果受其影响很大,如图5所示,而改进的译码电路则对这种情况具有很好的适应性,如图6所示。
8 结束语
本文提出的改进的绝对式光电码盘译码方案成功地解决了译码结果受码盘光电流变化影响严重的问题大大地降低了码盘装调复杂程度和调试难度,一定程度地降低了译码电路对角度信息的精度损耗,同时增强了译码电路在各种干扰下的可靠性并有效地提高了其使用寿命。
参考文献
[1]叶盛祥著.光电位移精密测量技术[M].成都:四川科学技术出版社,2003.
[2]艾华,韩旭东.一种角位移传感器光电检测装置:中国,01138860.9[P].2005-01-19.
光电编码 篇7
1 系统结构
整个系统采用了TI公司的TMS320F2812作为主处理器,通过专用接口芯片MMI4832与绝对式光电编码器相连,系统结构如图1所示。
TMS320F2812是TI公司发布的一款具有很高性价比、适用电气自动化系统的DSP。ROC425是德国海德汉公司生产的一款25位单圈的绝对式光电编码器,其接口协议为EnDat2.2,MMI4832是其专用接口芯片。
2 硬件电路设计
TMS300F2812与MMI4832及ROC425的接口硬件电路如图2所示。
电路部分主要分为DSP芯片的最小系统设计和MMI4832的接口设计。下面分别给与介绍:
2.1 TMS320F2812型DSP的最小系统设计[2]
(1) 电源和复位部分
本设计采用外部5 V直流电压供电,通过DC/DC器件产生3.3 V的供电电压和1.8 V的内核电压。本设计的复位信号分两种:上电复位和手动复位,上电复位由芯片MAX803产生,手动复位由电阻和电容组成的电路产生。
(2) 时钟部分
为DSP芯片提供时钟一般有两种方法:采用晶体和采用外部有源时钟芯片。本设计采用前者,它利用DSP芯片的X1和X2之间连接一晶体可启动内部振荡器。
(3) 仿真部分
这一部分将作为程序的调试和烧录所用 。2812芯片提供了5个标准的JTAG信号(TRST、TCLK、TMS、TDI、TDO)和两个仿真引脚(EMU0、EMUl)。
2.2 MMI4832接口设计
(1) 与DSP接口设计。
由于MMI4832芯片的输入输出信号为5 V,而DSP的输入输出信号为3.3 V,这就存在一个DSP与MMI4832之间的电平转换问题。本设计的电平转换接口通过74LVC4245来完成。
(2) 与绝对式光电编码器ROC425接口设计。
由于编码器为了满足长距离安装的要求,其信号需要差分收发。本设计差分收发接口通过MAX485来实现。
2.3 MMI4832介绍[3]
(1) MMI4832功能模块框图见图3。
(2) MMI4832模块引脚定义见表1。
3 软件设计
3.1软件流程(见图4)
3.2 编程示例
关于MMI4832编程规范和EnDat2.2的定义可参考相关英文资料,由于篇幅原因,本文不再赘述。
本设计的软件部分代码如下:
# include “DSP_Device.h”
unsigned int krg-rg-l;
unsigned int krg-rg-h;
unsigned int Sen-rg-1;
unsigned int Sen-rg-h;
unsigned int empf-rg-l;
unsigned int empf-rg-h;
unsigned int Sta-rg;
unsigned int *(MMI 4832 Addrees)=( unsigned int *) 0X80000;
// 主程序
Main ()
{
Init_ MMI4832 ( )
Read_ MMI4832( )
}
// 初始化MMI4832子程序
Init_ MMI4832 ( )
{
// Status clearing
* (MMI 4832 Address + 0X2)=0x74
Sta-rg=*( MMI 4832 Address);
// Ctrl ,RG
*( MMI 4832 Address +0X2)=0X70;
*( MMI 4832 Address )=0X3201;
*( MMI 4832 Address)=0X9900;
*( MMI 4832 Address +0X2)=0X70;
*( MMI 4832 Address )=0X3201;
*( MMI 4832 Address)=0X1900;
// Send RG
*( MMI 4832 Address +0X2)=0X60;
*( MMI 4832 Address)=0X0000;
*( MMI 4832 Address)=0X0700 ;
*( MMI 4832 Address +0X2)=0X60;
Sen-rg-l=*( MMI 4832 Address);
Sen-rg-h=*( MMI 4832 Address);
// Software strobe
*( MMI 4832 Address +0X2)=0X74;
*( MMI 4832 Address)=0X000;
}
// 读位置数据子程序
Read_MMI 4832( )
{
Long tem;
// Receive RG
*( MMI 4832 Address+0X2)=0X64;
empf-rg-l=*( MMI 4832 Address);
empf-rg-h=*( MMI 4832 Address);
*( MMI 4832 Address +0X2)=0X74;
Sta-rg=*( MMI 4832 Address);
*( MMI 4832 Address +0X2)=0X70;
Krg-rg-l= *( MMI 4832 Address);
Krg-rg-h= *( MMI 4832 Address);
Tem=(((long empf_rg-h)≤16)+(long empf-rg-h));
}
4 基于DSP的位置采集系统的应用
本文实现的DSP通过MMI4832接入绝对式光电编码器的设计,很好地完成了伺服控制系统中位置环的实现。另外在交流伺服系统中,还可以用该方法完成电动机转子位置的检测,进而完成速度环及电流环的实现。该设计成功地解决了伺服系统中的位置环、速度环、电流环的主要工作,为伺服控制系统的设计人员提供了一种行之有效的解决方法。
5 结束语
本文给出了以DSP为核心处理器的位置采集设计方法,介绍了其硬件接口设计原理及软件实现方法。该设计能够稳定可靠、快速灵活地完成伺服系统位置采集,现在已成功应用于全数字伺服系统中。
参考文献
[1]郭庆鼎,孙宜标,王丽梅.现代永磁电动机交流伺服系统[M].北京:中国电力出版社,2006.
[2]智泽英,杨晋岭,刘辉.DSP控制技术实践[M].北京:中国电力出版社,2009.