光电编码器辨向电路

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1、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

2、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

3、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们”信号，从而产生了入、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

4、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

5、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。良好的光电编码器的辨向电路十分重要，因为它是影响系统控制精确度的关键因素。任 何脉冲的丢失或者脉冲输出错误都不允许。如果仅仅知道A、B相的脉冲输出信号，计算机 无法识别输出杆的位移与方向。辨向电路可以将正转和反转时的AB相脉冲输出分离，当光 电编码器正转的时候，只有A相有脉冲信号输出，B相输出的脉冲信号处理为低电平；当光 电编码器反转的时候，只有B相有脉冲信号输出，A相输出的脉冲信号处理为低电平。如此 做便可以将A、B相的输出信号

6、进行解码分离，从而便于微控制器能够通过外部的引脚触发 中断计数，从而可以计算出电机旋转的角度。光电编码器的信号处理分为两个部分。第一部分是对光电编码器直接输出信号进行整形 处理。第二部分为光电编码器解码分离电路。信号整形电路施密特触发器作为一种波形整形电路，可以将模拟信号的波形整形为数字电路可以处理 的方波。在数字系统中，由于矩形脉冲在传输的过程中，容易发生波形畸变，也可能出现上 升和下降不理想的情况，使用施密特触发器进行整形可以获得较为清晰理想的矩形脉冲。这 是由于施密特触发器与普通门电路不同，对于正向递加和负向递减的两种不同变化的输入信 号，它具有两个阈值电压，即正向阈值电压和负向阈值电压

7、。输入信号由低到高电平过程中 是的电路状态变化的输入电压叫正向阈值电压，反之为负向阈值电压。正向阈值电压和负向 阈值电压差值叫回差电压。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。5 A321NORBC ZNOR HO HNORBfl A JV5=1GNDNORESNORBO AI-5z1 NORBO Al 2NORW H1Krnqrbo bi 4NORBOZ NORBOZ I

8、6U3OC6A6Y5A5Y4A4YV514 T13 NQRB0AH_NORBO BI TO9 NORBOZ?S NORBOCl74HC14DNORBC L*1NORDO BJNORBO AI OKGND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，RD是直接复位端（低电平有效），SD是直接置位端（低电平有效），Q和Q是触发器的互补输出端。SDRDCPDQQLHxxHLHLxxLHLLxxH *H *HHtHHLHHtLLHHHLxQ0QH 代表高电平；L代表低电平；Q0代表输入条件建

9、立前的Q的电平；Q 代表输入条件建立前的Q的电平；T 代表电平由低到高的上升沿；x代表任意值；* 代表当SD和RD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：DGTTAL_CLOCK?IJTAL_CLClCK有窸很示IE HIEI 变能用户丰段磴丘示.三曾（9技1*1用户字题1:ik七占兰七：50%油，D夕A相脉冲:Ti (F):1km1 Z .：so%Hf

10、;：o.ootl-、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:显示e司H 笑择用尸灵骂商L :占兰山：湖.：；IkHi50%D50GJTAL_LOCKA相脉冲B相脉冲两相输入和输出波形如下:通过上述方法实现了 A、B两相信号的解码分离。在Altium Designer中的实际电路如 下：NORBO RII NORBO R10KNORRO C1NORBOL1 JiLL. NORBO L10K经过一系列整形辨向后的两组输出信号接入LPC1764微处理器分析计算出旋转角度。具体的实现方式是设置LPC1764的P2 口的管脚为上升沿触发外部中断

11、触发方式，可以完 成脉冲信号计数功能。LJ)A UPDATE 75DA CS74LED173LED2706968676665USBCONECT 64NOREQ C 52 NORBORNORE40L 50P20/PWM11.TXDlP21/PWM2/RXD1P22J/PWM13：/CTSI RAC EDATA 3P23/PWMl4.DC DI /TRACEDATA 2 P24/PWM IS.DSR 1ZTRjCEDATA J P2S/PWM16/OTRI/TRACHATA0P26/PCAP1()/RI1/TRACECLKP2了/RD2/R1SIP2/TI)2/TXD?P29/USB CONNECT/RXD2P2-10，ENTO/NMIP2111ZEINT1/I2STX CLKP212/EJNT2/I2STX WSP2LB/E1NT3/12STX_SDATDO当编码器正转时，I/O 口由A路脉冲触发外部中断，对A路脉冲数进行累加；而编 码器反转的时候，I/O 口由B路脉冲触发外部中断，就从已经累加的脉冲数减去B路脉 冲数，这样就能得到正确的测量角度。另外，所选用的光电编码器的Z相清零功能可以方 便解决增量式编码器的初始角度问题。