光电位置编码（共7篇）
光电位置编码 篇1
摘要：提出一种新的二元条码设计方法,可用于绝对式光电位置编码。传统的光电编码器主要基于莫尔光栅条纹技术,把位移量变为电脉冲,结构简单,但由于增量式相对测量方式,从而使得光电编码器的应用受到了限制。本文提出的二元条码设计方法,在单码道上设计了包含三种频率信息的光栅,采用二元脉冲编码调制和误差扩散的方法形成二元条码标尺。在光电位置编码器中,标尺上某一段的条码就成像在线阵CCD上。对CCD获取的该段条码信息进行傅里叶变换,滤波和逆傅里叶变换,得到三种频率光栅的相位信息,采用小数重合法得到该段条码的绝对相位分布,从而得到绝对位置信息。新的方法保留了单码道光栅莫尔技术结构简单的优点,同时又能像多码道光栅编码器一样实现绝对位置测量。文中给出了编码方法的详细描述,条码信息处理方法,计算机仿真实验结果,最后给出了绝对式光电位置测量的实验结果。本文提出的方法在绝对式光电位置编码器和数字水准仪等领域具有一定的应用前景。
关键词：光电位置编码,二元条码,小数重合法,傅里叶变换
0 引言
光电位置编码器是常用的测量长度、角度等几何量的传感器,在工业测量领域有着广泛的应用[1]。传统的增量式编码器的工作原理基于光栅莫尔条纹技术,能将精细光栅的位移放大为大周期的莫尔条纹的移动,因此光栅莫尔技术具有位移放大功能。这种编码器为单码道设计,结构简单,易小型化,但由于相对测量方式,只能进行增量测量,不能获得绝对基准位置,从而使得增量式光电编码器的应用受到了限制。
在需要绝对位移测量的系统中,通常采用零位光栅建立基准位置,或者采用多码道设计。例如,目前绝对位移编码器采用的编码方案主要有自然二进制码,循环二进制格雷码及矩阵码,均为多码道方式。原理上定位精度要求越高,码道数也越多,这增加了编码器结构尺寸和复杂性。近年来,国内外对单码道绝对编码器的研究日益增多。已经研究的方法有伪随机条码标尺[2]、双相位码[3]、双正弦码、随机双向码。其中在双正弦码中,用小数重合法[4,5]可以提供一种很好的解码方法,但在该方法中,由于双正弦光栅周期相近使得测量范围大大缩短,从而限制了编码器的测量范围。
本文提出一种单码道二元条码设计方法,可用于绝对式光电位置编码。在单码道上设计了包含三种频率信息的光栅,采用二元脉冲编码调制和误差扩散的方法[6,7,8],生成二元条码标尺。在光电位置编码器中,标尺上某一段的条码就成像在线阵CCD上。对CCD获取的该段条码信息进行傅里叶变换,滤波和逆傅里叶变换,得到三种频率光栅的相位信息,采用小数重合法得到该段条码的绝对相位分布。新的方法保留了单码道光栅莫尔技术结构简单的优点,同时又能像多码道光栅编码器一样实现绝对位置测量。由于采用三种频率光栅的信息合成,将条码的合成周期扩大为三种正弦光栅周期之积,从而大大增加了位置编码的测量范围。文中给出了编码方法的详细描述,条码信息处理方法,计算机仿真实验结果。最后给出了绝对式光电位置测量的实验结果。本文提出的方法在绝对式光电位置编码器和数字水准仪等领域具有一定的应用前景。
1 脉冲调制编码产生二元条码
“编码”在通信中的意义,是指把输入信息变换为信道上传送的信号的过程。一般来说,把从信息变到信道信号的整个变换都叫做广义的编码,二元脉冲密度编码是一种对强度进行调制的编码方法[8]。正弦调制的实质就是经光学系统后在一定空间范围内形成能量的正弦分布,这就意味着可以通过改变光栅透过率来造成正弦分布,也可以通过对光栅进行二元编码来形成正弦光场[8,9]。由于正弦光栅尤其是高精度正弦光栅比较复杂,改变光栅透过率在制作工艺上不容易实现,而二元编码具有易于高精度复制,符合计算机内在数据机制的特点,所以受到广泛关注。
误差扩散算法作为一种主动Halfton技术,首先由Floyd和Steinberg提出[10]。误差扩散算法的基本思想是通过将已处理元素的量化误差向尚未处理的元素加权扩散,从而减少整个编码的量化误差。一维误差扩散算法中,只将误差在行方向上进行扩散,光栅模板由明线和暗线组成,分别表示透光和遮光部分。下面对一维误差扩散编码原理进行阐述。
对于待编码正弦光场模板f(n),误差扩散后得到的修正光场是f′(n),b(n)为第n个元素的扩散误差,g(n)为二值化后的光场。
其中:
其中:t(n)是阈值,t(n)=(Imax+Imin)2,I为光场强度。
从而有:
一维误差扩散编码过程如图1表示。第一个像素的透过率小于0.5被二值化为0,其剩余误差(+)加入第二个像素。由于第二个像素原有透过率加上第一个像素转移的误差之和大于阈值0.5,因此被二值化为1。积累的误差(+)加上第三个像素,虽然第三个像素原有透过率大于0.5,但合并前面转移的误差后,其和小于0.5,因此被二值化为0,以此类推。图1中圆点表示抽样点上的透过率,箭头表示误差是如何传递到相邻像素的。
下面我们生成周期分别为p1=17 pixel,p2=36 pixel的双频正弦条纹:
双频正弦条码的一维行向量所包含的相位信息即包含在式(6)中,我们再对其进行一维误差扩散编码处理,即可得测量所需脉冲编码调制条码。误差扩散在频域的实质是以增加高频频段的量化噪声为条件来压低其低频频段的量化噪声。因此,这种二元模板经适当的低通滤波后,将产生质量较好的正弦结构照明光场[6]。图2是双频正弦条码原图及经过一元误差扩散编码处理后的条码图。
2 利用小数重合法测量条码移动距离
FTP在计算相位时使用反三角函数,某一频率光栅的相位被截断在[-π,π]范围内,所得截断相位级次k=1,2,3,…,因此该条码的相位是不连续的。双频光栅在经过逆傅里叶变换后,截断相位如图3(a)所示。图中第i个像素对应的两个截断相位值φ1、φ2是已知的,但该截断相位所对应的级次k1、k2是未知的。假设双频正弦条码第i个像素点与初始点(即基准位置)的位移为l个像素,其中实线,虚线分别为正弦条码中两个不同周期条纹的截断相位。
需要说明的是,该算法所需双频光栅周期p1、p2要求最大公约数只能为1,这样才能保证编解码的唯一性,同时也能使得条码的测量范围扩大到p1×p2,即两者的最小公倍数。假设k1、k2分别是第i个像素点所在高频与低频截断相位的级次,是未知的。ε1、ε2是第i个像素点与其所在级次的相位初始点的距离(由截断相位φ1、φ2求得),则有以下表达式成立:
其中:x1=ε1p1,x2=ε2p2,由式(7)、(8)可得:
令:
式(9)与式(10)相减,可得:
将式(12)带入(7)式,可得:
分别将k12=0,1,2,…带入上式,当k1取得最接近整数值时,即为正确的条纹级次k1。
因为某点的截断相位值与像素有着如下关系:
所以我们常常通过利用每点的截断相位值φ(i),来得到该像素点与所在级次截断相位初始点的相对位移ε(i)。又因为截断相位与像素间存在以下关系:
将所求条纹级次k1带入式(7)并联立式(15),可得:
则l为第i个像素点与初始点的绝对位移,也是该像素点的绝对距离。将像素点i按照以上方法逐一展开,可得到在行方向上整个条码的绝对距离,如图3(b)所示。横轴为条码对应像素值,纵轴为每点像素距离条码初始位置的绝对距离(即合成相位)。不难发现,条码绝对距离在理论上是斜率为1的直线。需要说明的是,为了将绝对位移误差最小化,式(16)中的p1需要选择两周期较小的那一个,即p1
3 计算机模拟
计算机模拟实验采用p1=17 pixel,p2=36 pixel,p3=11 pixel的三频正弦条码,并且对条码进行了一维误差扩散处理,条码如图4所示。下面以条码移动3 000 pixel为例。
需要说明的是,因为对采用p1=17,p2=36的双正弦条码实验数据处理中,对其高频与低频利用小数重合法解码只可以得到测量范围(合成周期)p12=p1×p2=612 pixel的条码。所以对合成周期p12=612,p3=11的截断相位再次使用小数重合法,就能够得到测量范围(合成周期)p123=p1×p2×p3=6 732的三频正弦条码(图4)。
对三频正弦条码的一段(成像在线阵CCD上部分)进行傅里叶变换,分别滤出三个正弦条纹的基频,再分别对其进行逆傅里叶变换,得到其截断相位。条纹周期分别为17 pixel,36 pixel的截断相位如图5(a)所示(由于空间所限只显示1∼150 pixel范围)。根据新算法公式对双频截断相位运用小数重合法进行合成,合成相位(即绝对距离)如图5(b)y轴所示(1∼512 pixel范围内),横轴为该段条码的坐标值。很明显,合成周期为612 pixel的绝对距离在整段条码范围也是截断的。
条纹周期分别为612 pixel,11 pixel的截断相位图如图6(a)所示(同理只显示1∼150 pixel范围),再次对合成周期为p123=612,p3=11的截断相位用新算法进行合成,绝对距离如图6(b)y轴所示(在1∼512 pixel范围内)。
需要说明的是,由于对条码采用了一元误差扩散处理,并且有限长度信号的傅里叶变换、滤波和逆傅里叶变换产生的泄漏效应,使得在信号段的两端有了较大的误差,误差分析表明相位计算时取有效范围的绝对距离是合理的(例如图中所示的75∼450 pixel范围内)。对有效范围内的展开相位进行曲线拟合,用拟合相位的平均值作为测量段中心的相位值,即可将误差最小化。实质上,这种方法充分利用了线阵CCD每个像素的测量值对误差进行了补偿。
将条码分别移动500 pixel,1 000 pixel,1 500 pixel,2000 pixel,2 500 pixel,3 000 pixel,3 500 pixel,4 000 pixel,4 500 pixel,5 000 pixel,5 500 pixel,6 000 pixel,测得的实际移动距离和测量误差如表1所示,经计算拟合标准差为0.155 0。
4 实验及数据处理
我们对上述算法进行了实验验证,条码总长度约为347 cm。实验所需条码由激光打印机打印,分段条码长宽分别为26.39 cm×1.04 cm,用爱普生Perfection 1260扫描仪以600 dpi扫描,获得条码像素大小为7483 pixel×320 pixel。我们采用傅里叶变换来获得条码的三个截断相位。
我们以条码移动309 cm(对应模拟实验时条码移动6 000 pixel)时为例。首先对扫描仪所获得条码进行傅里叶变换,然后对所得频谱进行滤波,经逆傅里叶变换得到条码的三个截断相位。对截断相位用本文提出的小数重合法进行截断相位合成,得到正确的绝对距离,其有效范围为600∼6 309 pixel,在有效范围内的绝对距离如图7(a)y轴所示。将实验所得绝对距离值与理论距离值相减,所得差值如图7(b)所示。
对实验值进行曲线拟合,所得直线可将实验误差最小化。将曲线拟合值与理论值相减,对误差求平均值,所得均值为0.403 7。
将对应模拟实验时分别移动500 pixel,1 000 pixel,1 500 pixel,2000 pixel,2 500 pixel,3 000 pixel,3 500 pixel,4 000 pixel,4 500 pixel,5 000 pixel,5 500 pixel,6 000 pixel的条码逐个做相位合成,测得的实际距离和误差如表2所示,经计算拟合标准差为0.238 9。
5 讨论与总结
本文提出的二元条码设计方法,在单码道上设计了包含三种频率信息的光栅,采用二元脉冲编码调制和误差扩散的方法形成二元条码标尺。这种条码尺具有易于制作和易于复制的优点。使用时标尺上某一段的条码成像在线阵CCD上。对CCD获取的该段条码信息进行傅里叶变换,滤波和逆傅里叶变换,得到三种频率光栅的相位信息,采用小数重合法得到该段条码的绝对相位分布,从而得到绝对位置信息。
本文提出的小数重合法在计算每点的展开相位时,只要求得该点的三个截断相位值。因此该算法仍属于时间相位展开的一种,该算法沿着时间轴分别对每一个像素点进行相位展开,从而实现了各像素点相互独立的相位展开,避免了相位误差在相位展开过程中传播的可能。在双频正弦条码扩展为三频正弦条码后,极大地扩宽了条码的测量范围,而又保持了相当高的测量精度。
参考文献
[1]金国藩,李景镇.激光测量学[M].北京:科学出版社,1998:256-267.JIN Guo-fan,LI Jing-zhen.Laser metrology[M].Beijing:Science Press,1998:256-267.
[2]徕卡.徕卡新一代数字水准仪DNA用户手册[Z].瑞士:莱卡测量系统股份有限公司,2002:1-6.Leica.The DNA User Manual of Digital level[Z].Switzerland:Leica Geosystems Ltd,2002:1-6.
[3]蔡司,DNIill.DNIilZ数字水准仪操作手册[Z].美国:天宝公司,1997:3-9.Carl Zeiss,DNIill.The User Manual of DNIill Digital level[Z].America:Trimble Co.,Inc,1997:3-9.
[4]郝煜栋,赵洋,李达成.非线性小数重合法及其在轮廓测量中的应用[J].光学学报,1999,19(11):1518-1521.HAO Yu-dong,ZHAO Yang,LI Da-cheng.Nonlinear excess fraction method and its applications to profilometry[J].Acta Optica Sinnica,1999,19(11):1518-1521.
[5]郝煜栋,赵洋,李达成.基于改进的非线性小数重合法的轮廓测量[J].清华大学学报,2000,40(4):32-34.HAO Yu-dong,ZHAO Yang,LI Da-cheng.Research on profilometry based on the improved nonlinear excess fraction method[J].Tsinghua Science Technology,2000,40(4):32-34.
[6]程菊.位相测量轮廓术中二元误差扩散光栅的研究及应用[D].成都:四川大学,2006:16-18.CHENG Ju.Study and application of binary error diffusion grating in PMP[D].Chengdu:Sichuan University,2006:16-18.
[7]羡涛.二元编码正弦光栅模板的研究及应用[D].成都:四川大学,1999:21-22.XIAN Tao.Study on error diffusion algorithm of binary encode grating[D].Chengdu:Sichuan University,1999:21-22.
[8]苏显渝,李继陶.信息光学[M].北京:科学出版社,1999:167-168,172-173.SU Xian-yu,LI Ji-tao.Information Optics[M].Beijing:Science Press,1999:167-168,172-173.
[9]XIAN Tao,SU Xian-yu.Area modulation grating for sinusoidal structure illumination on phase-measuring profilometry[J].Applied Optics(S0003-6935),1999,40(8):153-1158.
[10]Olof Bryndahl,Thomas Scheermesser,Frank Wyrowski.Digital Halftoning:Synthesis Of Binary Images[J].Progress in Optics(S0079-6638),1994,33(1):389-462.
光电编码器电路原理分析 篇2
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
[1]王凤藴.数控原理与典型数控系统[M].北京:高等教育出版社, 2003.9.
[2]韩鸿鸾.数控原理与维修技术[M].北京:机械工业出版社, 2004.4.
[3]黄尚先.现代机床数控技术[M].北京:机械工业出版社, 1996.9.
[4]王爱玲.现代数控原理及控制系统[M].北京:国防工业出版社, 2005.1.
光电编码器实现小车测速探讨 篇3
关键词：光电编码器,原理,小车速度
1 光电编码器的分类概述
光电编码器分为增量式和绝对式两种类别。其中, 增量式光电编码器具有体积小、结构简单、精度高、价格低、性能稳定、影响速度快等优点, 因此, 相比于绝对式光电编码器具有更为广泛的应用。在大量程角速度、大量程角位移和高分辨率的系统当中, 增量式光电编码器的优势得到了更为充分的体现。这样的装置成本高、结构复杂。
2 光电编码器的工作原理分析
2.1 增量式光电编码器工作原理分析
增量式光电编码器是由主码盘、光学系统、鉴向盘和光电变换器构成的, 在主码盘的周边刻有相等节距的辐射状窄缝, 形成分布均匀的不透明区和透明区。当工作时, 鉴向盘保持静止, 转轴和主码盘一同转动, 这时光源发出的光就投射于鉴向盘和主码盘上。通过光敏原件的作用, 将这种光信号转变成为脉冲信号, 通过对脉冲信号的处理, 向数控系统输出另一种脉冲信号, 进而在数码管上直接显示出所测的位移量。
2.2 绝对式光电编码器工作原理分析
绝对式光电编码器是将被测角度通过对编码盘上图案信息的读取, 直接转化成为相应的代码检测元件。绝对式光电编码器的编码盘有接触式、光电式和电磁式三种。光电元件通过接收不同码盘位置所产生的光信号, 将其转化为相应的电信号, 后经过整形放大, 最终形成相应的数码电信号。
3 光电编码器测量小车速度
3.1 光电编码器测量小车速度的原理
光电编码器是由一个红外发射接受装置和一个码盘构成。当红外光由发射器射出, 射于黑色条纹上时, 将被间断地反射于接收器上, 在接收器的输入端会受到通轮子转速为正比关系的光脉冲信号, 进而在接收器的输出端形成具有一定频率的电信号。再利用微处理器对电脉冲进行计算, 就可以得到小车的移动速度。其中小车行驶距离L的表达式为:L=nπD·nx。公式中n为码盘上黑白条纹的个数;D为驱动轮的外径, nx为实际测量中电脉冲政府跳变的次数。小车的行驶速度v的计算表达式为v=L/t, 公式中, t表示时间。
3.2 光电编码器测量小车速度的操作
本案例中采用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, 相邻码道的扇区数目是双倍关系, 码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数, 在码盘的一侧是光源, 另一侧对应每一码道有一光敏元件;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。
首先, 选用专门用于用于控制轮式机器人的Handyboard主板和内置光敏集成电路和红外线发射管的P8557红外传感器。在驱动轮上贴32道黑白条纹的圆形码盘, 驱动轮轴和码盘的圆心重合, 在码盘表面的2mm处进行红外传感器的固定, 从而构成反射式增量编码器;其次, 执行四次LCD中断程序和一次检测程序。当心中断的程序进行调入时, 将TOC4圆心的矢量中断入口地址转嫁于新终端程序。在执行程序时, 先执行中断程序, 后执行编码器原中断程序;最后, 驱动程序采用中断的插入方式, 使用中断始终TOC4执行计数。在中断程序调入之后, 先进行中断程序的初始化, 随即插入编码器相位的中断程序。在执行主中断程序时, 先调试编码器状态, 然后对编码器进行取样, 将取样的编码器状态存入于寄存器当中, 再将寄存器调试到上一次的编码器相位取样状态。最后, 执行累加操作。对操作中的数据进行统计, 将数据带入小车行驶路程L的公式当中, 求出L, 后根据时间, 直接带入到小车行驶的速度v公式当中, 进而用光电编码器对小车速度的测量。
4 结语
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。这是目前应用最多的传感器, 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。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, 通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。用光电编码器对小车的速度进行测量虽然能够实现, 但是受限于传感器精度和小车自身的机械精度等因素的影响, 测量结果存在一些误差。因此, 在进行小车速度的测量时, 为减小误差, 应进行多次测量, 取平均值, 使得最后的结果更加趋近于正确值。
参考文献
[1]姜义.光电编码器的原理与应用[J].机床电器, 2010, (2) .
[2]王俭.轮式智能小车行驶距离和速度的检测[J].计算与预测, 2005, (7) .
光电编码器使用中相关问题分析 篇4
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
光电位置编码 篇5
随着精密数控机床、工业机器人等现代化工业化设备的快速发展, 对伺服驱动系统提出了越来越高的要求, 高速、高精度是伺服驱动系统未来的发展方向, 而编码器作为伺服驱动系统最常用的位置检测环节, 毫无疑问是提高其速度、精度的关键环节之一。
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[1], 它具有体积小、分辨度高、寿命长等特点, 是目前伺服系统中应用最多的传感器。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码, 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, 它的示值只与测量的起始和终止位置有关, 而与测量的中间过程无关, 因此, 绝对式光电编码器更适合应用于高速、高精度的伺服驱动系统。本文将以绝对式光电编码器为对象, 对其通信协议进行设计。
2 绝对式光电编码器构成及原理
绝对式光电编码器[2]是直接输出数字量的传感器, 它是由光电码盘和光电检测装置组成, 在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道, 码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数, 工作时, 码盘的一侧放置光源, 另一侧放置光电接收装置[3], 如图1所示。
由于光电码盘与电动机同轴, 电动机旋转时, 码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, 通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。当码盘处于不同位置时, 光电元件接收光信号, 并转换出相应的电信号, 形成二进制数[4]。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, 理论上其码盘必须有N条码道。
3 绝对式编码器通信协议设计
所谓编码器通信协议, 是指编码器与后续电子设备之间的通信, 这里的后续电子设备可以是单片机、CPLD/FPGA、DSP、ARM或ASIC等大家熟知的电子器件[1]。在研究了国际上现有的多种通信协议后, 认为多摩川公司的通信协议具有电气连线简单、通信可靠等特点, 因此, 本文在多摩川编码器通信协议的基础上, 提出一种新的绝对式编码器通信协议设计, 该通信协议的设计包含但不仅限于多摩川通信协议, 下面将从电气连接和通信协议数据帧两方面进行介绍。
3.1 电气连接
绝对式光电编码器的电气连接如图2所示。两根数据线采用RS-485接口, 通过一块RS-485驱动芯片与后续电子设备通信, 驱动芯片有一个发送器和接收器。后续电子设备通过切换驱动芯片的工作状态, 向编码器发送数据, 或者接收编码器发送的数据。
3.2 通信协议数据帧
后续电子设备与编码器通信采取“一问一答”[5]的方式, 由后续电子设备向编码器发送相应的控制指令, 编码器根据接收到的不同控制指令反馈不同的数据, 本文介绍的通信协议主要包括三种模式: (1) 读取编码器信息模式; (2) 读取编码器内EEPROM模式; (3) 写入编码器内EEPROM模式。
3.2.1 通信协议模式
(1) 读取编码器信息模式
读取编码器信息模式如图3所示, 由后续电子设备向编码器发送“读取编码器信息”控制指令, 编码器接收到该控制指令, 立即锁定当前的数据值, 并按照设定的算法进行运算和校验, 最终经过处理的数据值由编码器反馈至后续电子设备。读取编码器信息模式是编码器最主要的工作模式。
后续电子设备向编码器发送控制帧KZ, 编码器根据该控制帧KZ的要求, 输出控制帧KZ、状态帧ZT、数据帧SJn和数据校验帧CRC。其中使用数据帧SJn的个数要根据发出的控制指令要求决定, 本设计中n=4~10。
(2) 读取编码器内EEPROM模式
读取编码器内EEPROM模式如图4所示, 由后续电子设备向编码器发送“读取编码器内EE-PROM”指令, 读取编码器内EEPROM指定地址上的数据, 编码器按该指令输出数据。
后续电子设备向编码器发送控制帧KZ、地址帧DZ和数据校验帧CRC, 其中控制帧KZ包含要求读取EEPROM的控制指令, 编码器输出控制帧KZ、地址帧DZ、数据帧ESJ和数据校验帧CRC。
(3) 写入编码器内EEPROM模式
写入编码器内EEPROM模式如图5所示, 由后续电子设备向编码器发送“写入编码器内EE-PROM”指令, 将相应数据写入编码器内EE-PROM的指定位置上, 以实现对编码器内EE-PROM的数据变更。
后续电子设备向编码器发送控制帧KZ、地址帧DZ、数据帧ESJ和数据校验帧CRC, 其中控制帧KZ包含要求写入EEPROM的控制指令, 将数据帧ESJ的数据写入地址帧DZ指定的位置, 编码器根据指令相应输出控制帧KZ、地址帧DZ、数据帧ESJ和数据校验帧CRC。
3.2.2 各数据帧格式
在本设计中, 各数据帧的位数不是固定的, 根据具体的功能来设定, 同时, 每个数据帧以“0”为起始位, “1”为结束位, 起始位和终止位并不代表编码信息内容。
(1) 控制帧KZ
控制帧KZ的格式如图6所示, 控制帧包含相应的控制命令, 用来控制编码器的工作状态。传输过程中没有时钟同步, 同步码用来同步传输, 在没有数据传输时, 数据线拉高为高电平, 当编码器或电子设备端检测到低电平时, 即认为检测到数据帧, 通信速率可变化, 根据应用场合不同, 可设置高低不同的通信速率, 一般设置在2 Mbit/s~10 Mbit/s之间, 在本文中通信速率默认为5 Mbit/s;控制指令bit的个数可以根据实际要求设定, 本文设计的bit为4~8个, 为便于计算, 图6表示4个bit的情况, 另外还有一个控制命令校验位kjy, 是对4个bit控制命令的奇偶校验, 以保证信息发送可靠, 控制指令具体内容见表1。
(2) 状态帧ZT
状态帧ZT格式如图7所示。状态帧包含了编码器相应的工作状态。信息位bit个数可设为4~8个bit, 为便于计算, 图7中表示4个bit位的格式情况。表2中列出部分具体的内容定义;编码错误报警位cb0和cb1, 通信报警位tb0和tb1, 正常状态置“0”, 当置“1”时表示的具体报警情况见表3。
(3) 数据帧SJn (DZ/ESJ)
数据帧格式如图8所示。数据帧SJn中包含编码信息, 具体为单圈数据和多圈数据。数据位包含8个bit, 由于编码器单圈位数和多圈位数往往在十位以上, 所以在表示多位单圈数据或多圈数据时, 需要用几个数据帧表示。例如当一个绝对式光电编码器的单圈位数为17位, 故至少需3个数据帧表示单圈数据。
编码数据采用低位对齐的方式, 即编码信息由低位从第一个数据帧第一个数据位开始传输。数据帧多出编码位数的数据位则置“0”。编码器根据后续电子设备发送的控制帧中控制命令决定输出数据帧的内容, 包括单圈数据, 多圈数据以及数据帧的个数, 最少输出1个数据帧, 最多输出n个数据帧, 数据帧设置与数据位信息见表4, 另外, 地址帧DZ和数据帧ESJ的格式与数据帧SJn相同。
表4中:ABS0~ABS2表示单圈数据, 其中, ABS0/ABS2表示在24个bit里的低位/高位数据, 例如, 表示一个绝对式光电编码器的单圈位数为17位, ABS0和ABS1仅有16位数据, 因此, ABS2第一个数据位要占用, 其余高七位的数据置0。
ABM0~ABM2表示多圈数据, 数据帧的应用原理同上述单圈数据。
SJn中, n=4~10。
ESJ表示读/写EEPROM的数据。
(4) 数据校验帧CRC
CRC帧具体格式如图9所示, 数据校验帧包含CRC校验码, 接收完数据时可通过CRC校验检测数据的完整性。CRC校验帧的数据位为m个bit, m=8~16, 为方便计算, 图9表示8个bit的数据情况, CRC编码校验的计算公式可根据校验要求设定, 本文初步设计的两个计算公式为G (X) =Xm+Xm-5+1或G (X) =Xm+1。起始位和结束位不参与校验运算。
3.2.3 通信协议时序逻辑
本设计中编码器在通信过程中无时钟同步, 传输速率默认是5 Mbit/s, 若有P个bit, 则传输时间的计算式为:
t=200 ns/bit×p bit
例如, 计算控制帧的传输时间 (为便于计算, 上述各数据帧的格式在图中表示均为10个bit, 本文的所有帧均以10 bit计算, 但实际应用中可根据需要改变各帧的格式长度) , 控制帧为10 bit, 则控制帧的传输时间为t=200 ns/bit×10 bit=2 000 ns=2μs。另外, 编码器在接收后续电子设备发送的数据后, 设定2~3μs后反馈输出数据, 根据3.2.1所述的三种工作模式下的数据帧格式, 推算出整个传输过程中的时序关系如图10所示。
4 通信协议实际应用
采用本文介绍的通信协议设计, 应用到国产绝对式光电编码器上, 应用设备实物见图11, 图11中设备由一台编码器和后续电子设备组成。
按照上述三个工作模式的设计, 进行仿真测试, 读取编码器信息波形如图12, 读取编码器内EEPROM波形如图13, 写入编码器内EEPROM波形如图14。
通过与国产编码器配合使用测试, 证明用上述该通信协议, 编码器与后续电子设备能完全实现前期设计的功能。即使是国家要求的三级/四级标准脉冲群干扰和静电干扰的环境, 通过该协议进行通信, 仍能保持数据通信的正确, 并保证数据传输的稳定与可靠性。
5 结束语
本文设计的绝对式光电编码器通信协议, 采用的异步传输模式, 通讯速率默认为5 Mbit/s, 传输速度较快;电气连接结构较简单, 易于技术人员的操作和检查;通信模式的数据帧设计简单, 数据格式内部设置丰富, 可根据实际要求调整数据帧格式长度, 适用于不同类型的编码器;另外, 经过实际验证, 证明了该通信协议传输的稳定性和可靠性。因此, 本文设计的编码器通信协议可广泛应用于各类编码器, 在工业化生产中发挥积极作用。
摘要：编码器是现代化工业设备快速发展的重要环节, 提出一种新的绝对式光电编码器通信协议设计, 该设计主要介绍了在三个基本工作模式下的数据传输格式, 以及各数据帧的具体格式;同时, 还对各模式的运行响应时间进行计算;最后, 将该通信协议应用到国产编码器中, 能完全实现最初设计功能。设计的编码器通信协议具备传输速度较快、电气连接结构较简单以及较高稳定性等特点, 可广泛应用于各类编码器中。
关键词：编码器,通信协议,数据帧格式,时序
参考文献
[1]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.
[2]苏海冰, 刘恩海.单圈绝对式编码器的研制[J].光学精密工程, 2002 (10) :74-78.
[3]田岳, 和文国, 李彦林, 等.低成本的高分辨率磁编码器的研制[J].传感器世界, 1999 (9) :7-11.
[4]姜义.光电编码器的原理与应用[J].机床电器, 2010 (2) :25-28.
光电位置编码 篇6
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
光电位置编码 篇7
在电机伺服系统中,通常需要检测转子的位置信息作为闭环控制的反馈信号,对高精度伺服系统而言,位置反馈环节的检测精度直接影响伺服系统的性能,常用的位置检测装置有光电编码器和旋转变压器等。旋转变压器具有结构简单、成本低、可靠性和防护等级高的优点,但其解码复杂、专用解码芯片昂贵以及对电磁干扰敏感等缺点限制了其发展,现已逐渐被光电编码器取代。光电编码器有增量式和绝对式两种,增量式光电编码器精度比较低,其输出的A,B正交信号易受电磁干扰和机械抖动引起误计数,导致位置定位有误,且其无掉电记忆功能。绝对式光电编码器具有精度高、可靠性高、抗干扰能力强、具有掉电记忆功能等特点,因此,绝对式光电编码器广泛应用于雷达、机器人、精密机床和高精度伺服系统等对精度要求比较高的场合。
绝对式编码器的信号输出形式有并行和串行两种,其中串行输出以SSI接口(同步串行接口)数据连线少、可靠度高的性能优势而得到较多应用。但是由于采用串行输出方式会导致较大的传输延迟,这就对串行通信的速度和可靠性有比较高的要求。绝对式编码器的应用需要专用的处理芯片[1],芯片的价格十分昂贵,有人采用CPLD、FPGA等硬件实现对编码器串行数据的处理[2],这无疑增加了系统的复杂程度。本文介绍了以DSP芯片TMS320F2812为核心,针对意大利LIKA公司的HMCT/16/4096/BA绝对式光电编码器进行了SSI接口电路和软件的设计,实现DSP的通用I/O口与编码器之间的通信。
1 绝对式光电编码器
意大利LIKA公司的HMCT/16/4096/BA绝对式光电编码器为单圈分辨率16位(65 536)且圈数12位(4 096)的多圈高精度编码器,其分辨率可达0.001 5%;输出电路形式为SSI等几种输出方式;输出码制为格雷码和二进制码可选;轴心(轴向和径向)负载最大为40 N;轴心旋转速度最大6 000 r/m;转动惯量约95 g·cm2;供电电压10～30 V;功耗1 W;输出电流最大为40 mA;存储温度范围:-40～100 ℃;工作温度范围:-20～85 ℃;保护等级:IP65;质量:0.3 kg。电气连接方式:EML121H接头,连接器引线如表1所示。其中,Brown/Green为供电电压正,White/Green为供电电压负,本方案中除用到供电电压信号外,只用了其中的CLOCK+,CLOCK-,DATA+和DATA-信号。
2 SSI接口及SSI协议介绍
SSI接口光电编码器采用主机主动读取方式,是以2对符合RS 422电平的信号线进行信号传输,1对数据(Data)线,1对同步时钟(Clock)线。SSI同步时钟频率决定数据传输速率,其范围较宽为0.1～2 MHz,可以根据传输距离远近选择相应的传输速率,传输速率自适应。SSI数据传输时序如图1所示[3,4],在同步时钟控制下,从最高有效位(MSB)开始传输数据,在时钟信号的第一个下降沿,如“1”位置,编码器的当前位置值被储存,在随后的时钟上升沿,如“2”位置,存储的数据被送出,即最高有效位MSB被送出,以后依次送出其他有效位数,直到最低有效位LSB被送出,最后一个由低到高电平的跳变,如“3”的位置,输出传输周期结束,再经Tm时间后编码器进入下一个传输周期。图中T为同步时钟周期,Tm为脉冲序列结束保持高电平时间(Tm>T),如果位数小于25位,要用“0”填充补齐,具体补零位置见参考文献[5]中的“树形(TREE)数据对齐格式”和“LSB位右对齐格式”。
3 硬件电路设计
采用绝对式编码器的电机伺服控制系统包括:待测量旋转位置的电动机、绝对式编码器、电平转换元件MAX488、以DSP为核心的电机控制板以及电机功率驱动电路。本文主要介绍绝对式编码器HMCT/16/4096/BA和DSP芯片的接口部分。
由于该编码器输出接口为SSI接口,而单片机、DSP、PC104、工控机等工控领域常用的控制器一般不提供SSI接口,此外SSI光电编码器供应商一般也不提供接口转换器,所以有必要将SSI接口转换成可以与DSP等可以通信的串行接口。接口电路如图2所示。
由图可见,绝对式光电编码器的输入时钟信号(CLOCK)和输出数据信号(DATA)均为差分信号,其数据传输符合EIA RS 22标准, 是符合RS 422协议的电平,因而需将其转换成可以输入单片机或者DSP的电平。能完成这种转换的芯片很多,大致有两类: 全双工和半双工,由编码器读数时序图,可数据的输出在时钟信号下降沿转换,在时钟信号上升沿传送,因此应选用全双工的转换芯片。本文选用MAX488芯片作为绝对式光电编码器与DSP芯片MS320F2812通信的接口芯片,它由5 V电压供电,是一种适用于RS 422和RS 485的低功率收发器,它的芯片中包含一个驱动器和一个接收器,并且可以2.5 Mb/s速率进行传输[5]。绝对式光电编码器与DSP芯片TMS320F2812通信的接口电路图如图3所示。
在该电路中, 用DSP的GPIOF7(CANRXA)口来模拟产生绝对式编码器读数时所需的同步时钟信号,用GPIOF6(CANTXA)口接收数据,同时为了减少电路前后的干扰以及实现与DSP接口3.3 V电平的匹配,在电路中使用了两路高速光耦器件进行光电隔离,并实现电平转换[6,7,8]。
4 软件设计
高精度多圈绝对式编码器可以同时输出多圈位置信息(nMT位)和单圈位置信息(nST位),其数据发送时序关系,如图4所示,当编码器接收到发送周期的第一个时钟信号下降沿时,读取(nMT+nST)位字长的绝对位置值存入数据缓存器。数据缓存器中数据随着时钟信号的下降沿串行同步发送数据,第一个发出的数据位是绝对位置值的最高位(MSB),最后一个发出的数据位是绝对位置值的最低位(LSB)。
一般SSI标准信号为25位,若不足25位要用零补齐,本文用到的编码器为单圈16位4 096圈的高精度编码器,总位数28位,它遵循的SSI传输格式如图5所示。
由图5可知,对于单圈位数和多圈位数超过25位的编码器,在编写通信程序时,需要产生32个CLOCK时序才可以将编码器的所有数据传输并接收完毕。由硬件电路可知,利用DSP的GPIOF7(CANRXA)口来模拟产生绝对式编码器读数时所需的同步时钟信号,用GPIOF6(CANTXA)口接收数据,具体通信过程如流程图6所示。
在整个流程过程中,产生CLOCK同步时钟时序以及数据处理是关键部分。整个实现过程如下:
(1) GPIOF7产生一个高到低跳变的电平,并适当延时,此时启动数据开始转换;
(2) GPIOF7产生一个低到高跳变的电平,并适当延时,此时已将最高有效位数据MSB传送至数据口,并读取数据到数据寄存器GPFDAT;
(3) 连续产生32个同步时钟CLOCK信号,依次将传输32位数据到数据寄存器GPFDAT,本文读取数据方法是按位读取,每次在新加数据时,将前数据左移1位然后再加,直到完成所有数据位读取完毕;
(4) GPIOF7产生一个低到高跳变的电平,高电平保持时间相对前面CLOCK同步时钟时序长一点,数据转换完毕。
下面给出InitGpio(void)函数的部分与本文有关的代码。
5 实验结果
实验结果如图7所示,由图可见,CH2通道为32个CLOCK时序图,CH1通道为32个CLOCK时序下对应输出的DATA数据波形图,该绝对式编码器单圈数值为0～25 536,经4 096圈可输出范围0～268 435 456数值,检测精度为0.001 5%,运行稳定可靠。
6 结 语
本文提供了一种基于DSP芯片TMS320F2812的通用I/O口与绝对式编码器SSI接口之间通信的硬件原理图、软件流程、程序实现步骤和部分代码。采用软件控制DSP的I/O口模拟时钟信号的方法,成功地解决了绝对式编码器SSI接口与微处理器通信的技术瓶颈,具有良好的通用性、易于实现,已成功应用于电机伺服控制系统,为微处理器与其他串行外设的通信提供了设计参考,具有一定的实用价值。
摘要：为了实现SSI接口的绝对式光电编码器在电机伺服控制系统中对电机位置的检测,采用了DSP芯片TMS320F2812的通用I/O口模拟SSI接口与绝对式编码器之间的通信,编写了模拟SSI接口通信时序程序并做了绝对式编码器位置检测实验,获得了绝对式编码器全范围的输出值,单圈数值为0～25 536,经4 096圈可输出范围0～268 435 456数值。得到了绝对式编码器在电机伺服控制系统中可实现位置精确采集和精确控制以及利用通用I/O口,实现SSI接口通信,其具有设计简单、成本低、易维护、位置检测精确以及可替代专用解码芯片的特点。
关键词：绝对编码器,DSP,串行通信SSI,TMS320F2812
参考文献
[1]靳江涛,赵勇进,陈朝基,等.一种SSI接口光电编码器数据并行采集设计方法[J].电子技术,2008(5):23-25.
[2]礼冰冰,杨明,贵献国,等.基于TMS320F2808的高精度绝对式光电编码器串行接口设计[J].微电机,2008,41(8):28-30.
[3]戴蓉,王高鹏,齐向华.SSI-485转换器的研究与应用[J].水利水文自动化,2008(2):46-51.
[4]张子蓬,王淑青,刘辉.SSI接口的绝对值角度编码器值的读出方法研究[J].工业控制计算机,2005,18(12):4-6.
[5]Anon.Low-power,slew-rate-limited RS-485/RS-422trans-ceivers[EB/OL].[2011-03-29].http://wenku.baidu.com.
[6]程晓莉,谢剑英,王林.绝对式编码器在电机定位中的应用[J].控制工程,2007(14):548-650.
[7]蒋利勇,李伟光.绝对式光电编码器的接口装置设计与应用[J].设备制造技术,2007(5):62-64.