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增量式光電編碼器
閱讀�17619時間�2010-12-23 14:23:32

  增量�光電編碼�利用光電方法,通過光電轉換將輸出軸的機械量,幾何位移量轉換成相應的電脈沖信號或�(shù)字量輸入電子計算機或顯示儀�,從而獲得機械運動狀�(tài),位置坐標及其變化量等信�,計算機根據這些信息給出處理結果和發(fā)出指�,實�(xiàn)自動控制。光電軸�編碼��(shù)控機�、機器人、伺服傳動技�、自動控制技術等方面得到廣泛的應��

特點

  增量式光電編碼器的特點是每產生一個輸出脈沖信號就對應于一個增量位�,但是不能通過輸出脈沖區(qū)別出在哪個位置上的增�。它能夠產生與位移增量等值的脈沖信號,其作用是提供一種對連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化(速度)的傳感方法,它是相對于某個基準點的相對位置增�,不能夠直接檢測出軸的位置信�。一般來�,增量式光電編碼器輸出A、B 兩相互差90°電度角的脈沖信號(即所謂的兩組正交輸出信號�,從而可方便地判斷出旋轉方向。同時還有用作參考零位的Z 相標志(指示)脈沖信�,碼盤每旋轉一�,只�(fā)出一個標志信�。標志脈沖通常用來指示機械位置或對積累量清��

�(yōu)�

  增量式光電編碼器的優(yōu)點是:原理構造簡�、易于實�(xiàn);機械平均壽命長,可達到幾萬小時以上;分辨率�;抗干擾能力較強,信號傳輸距離較�,可靠性較�。其缺點是它無法直接讀出轉動軸的位置信息�

構成

  增量式光電編碼器主要由光�、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉換電路組成,如�1所�。碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙,相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周�;檢測光柵上刻有A、B 兩組與碼盤相對應的透光縫隙,用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光�。它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等,并且兩組透光縫隙錯開1/4 節(jié)�,使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差90°電度�。當碼盤隨著被測轉軸轉動�,檢測光柵不動,光線透過碼盤和檢測光柵上的透過縫隙照射到光電檢測器件上,光電檢測器件就輸出兩組相位相差90°電度角的近似于正弦波的電信號,電信號經過轉換電路的信號處�,可以得到被測軸的轉角或速度信息。增量式光電編碼器輸出信號波形如�2所��

增量式光電編碼器的輸出信號波形

  �2 增量式光電編碼器的輸出信號波�

技術指�

  在增量式光電編碼器的使用過程中,對于其技術規(guī)格通常會提出不同的要求,其中最關鍵的就是它的分辨率、精度、輸出信號的�(wěn)定�、響應頻率、信號輸出形��

 ?�?)分辨率

  光電編碼器的分辨率是以編碼器軸轉動一周所產生的輸出信號基本周期數(shù)來表示的,即脈沖�(shù)/轉(PPR�。碼盤上的透光縫隙的數(shù)目就等于編碼器的分辨�,碼盤上刻的縫隙越多,編碼器的分辨率就越�。在工業(yè)電氣傳動�,根據不同的應用對象,可選擇分辨率通常�500~6000PPR 的增量式光電編碼�,可以達到幾萬PPR。交流伺服電機控制系�(tǒng)中通常選用分辨率為2500PPR 的編碼器。此外對光電轉換信號進行邏輯處理,可以得�2 倍頻�4 倍頻的脈沖信�,從而進一步提高分辨率�

 ?�?)精�

  增量式光電編碼器的精度與分辨率完全無關,這是兩個不同的概念。精度是一種度量在所選定的分辨率范圍�,確定任一脈沖相對另一脈沖位置的能力。精度通常用角�、角分或角秒來表�。編碼器的精度與碼盤透光縫隙的加工質�、碼盤的機械旋轉情況的制造精度因素有�,也與安裝技術有��

 ?�?)輸出信號的�(wěn)定�

  編碼器輸出信號的�(wěn)定性是指在實際運行條件�,保持規(guī)定精度的能力。影響編碼器輸出信號�(wěn)定性的主要因素是溫度對電子器件造成的漂�、外界加于編碼器的變形力以及光源特性的變化。由于受到溫度和電源變化的影響,編碼器的電子電路不能保持�(guī)定的輸出特�,在設計和使用中都要給予充分考慮�

  �4)響應頻�

  編碼器輸出的響應頻率取決于光電檢測器�、電子處理線路的響應速度。當編碼器高速旋轉時,如果其分辨率很�,那么編碼器輸出的信號頻率將會很�。如果光電檢測器件和電子線路元器件的工作速度與之不能相適�,就有可能使輸出波形嚴重畸變,甚至產生丟失脈沖的�(xiàn)�。這樣輸出信號就不能準確反映軸的位置信息。所�,每一種編碼器在其分辨率一定的情況�,它的轉速也是一定的,即它的響應頻率是受限制�。編碼器的響應頻�、分辨率和轉速之間的關系如公式(1-1)所��

  �5)信號輸出形�

  在大多數(shù)情況�,直接從編碼器的光電檢測器件獲取的信號電平較�,波形也不規(guī)則,還不能適應于控制、信號處理和遠距離傳�?shù)囊蟆K?,在編碼器內還必須將此信號放�、整�。經過處理的輸出信號一般近似于正弦波或矩形�。由于矩形波輸出信號容易進行�(shù)字處理,所以這種輸出信號在定位控制中得到廣泛的應�。采用正弦波輸出信號時基本消除了定位停止時的振蕩�(xiàn)�,并且容易通過電子內插方法,以較低的成本得到較高的分辨��

  增量式光電編碼器的信號輸出形式有:集電極開路輸出(Open Collector�、電壓輸出(Voltage Output�、線驅動輸出(Line Driver�、互補型輸出(Complemental Output)和推挽式輸出(Totem Pole��

  集電極開路輸出這種輸出方式通過使用編碼器輸出側的NPN 晶體�,將晶體管的�(fā)射極引出端子連接�0V,斷開集電極�+Vcc 的端子并把集電極作為輸出�。在編碼器供電電壓和信號接受裝置的電壓不一致的情況�,建議使用這種類型的輸出電路。輸出電路如圖所�。主要應用領域有電梯、紡織機械、注油機、自動化設備、切割機�、印刷機械、包裝機械和針織機械��

集電極開路輸出電路

用DSP實現(xiàn)細分

  1 引言

  目前,各類伺服驅動器及其應用中廣泛采用光柵裝置作為速度測量、位置測量的敏感元件。而且,廣泛采用兩路正交方波的形�,系統(tǒng)的實時性要求極�。因�,對于光柵編碼器的信號的細分等主要處理�(huán)節(jié),一方面集中考慮提高分辨率的問題,同時,需要考慮實時性的問題�

  有很多采取純硬件進行細分的方�,�,電阻鏈細�,空間細分,鎖相倍頻,還有兩種方法的結合使用等。上述幾種方法在實際應用中被廣泛采用,特別是電阻鏈細分,在低倍頻的情況下是一種很好的方案。但是在高倍頻的情況下,不可避免地出�(xiàn)大量使用比較器的情況,以及比較器死區(qū)(滯后區(qū))問題,難以調節(jié)??臻g細分的方法中,主要解決的問題是切割電平精準的問�,其中的三角波切割三角波的方案有很多優(yōu)�,可以改變使用過零比較造成的細分誤差。但是仍然存在大量使用比較器的問�,調節(jié)起來比較繁瑣。鎖相倍頻細分的方�,一方面,成本較前兩種�,另一方面,受環(huán)境溫度的影響比較�,實際的應用中很少采用�

  高速數(shù)字處理器件DSP的應用可以極大地改善系統(tǒng)的實時�,DSP中集成了16�10位A/D轉換,同時有豐富的硬件資�,比較器、定時器,和兩個專門用于產生PWM波的事件管理�。DSP中豐富的指令集為做除法提供了條件。設DSP�2407a)的時鐘頻率�40MHZ,除法程序可以在35個指令周期內�(zhí)行完,兩路A/D轉換需�29個指令周�,查詢數(shù)據得細分值需要兩個指令周期。共69個指令周�,DSP中程序執(zhí)行是流水線執(zhí)行的,一個時鐘周期最多可以執(zhí)�4條指�。則需要不�1.6us就可以得到精確的光柵位移�。對于一般的應用場合,用DSP細分可以足夠保證控制�500KHz的頻�,和定位的精確��

  本文從原理上考慮在DSP中完成細分的方案,使用取�,八卦限理�,利用DSP器件(速度�25納秒)對信號進行邏輯運算和處理等一整套信號細分方案�

  2 細分及框�

  通過軟件查詢的方式進行細分。從光電編碼器輸出的兩路角位移信號首先進行濾波整型,硬件辨向,提取整周期信�,得到粗位移;同時對兩路信號進行A/D轉換,通過U函數(shù)得到計數(shù)脈沖,從而得到卦限�,通過V函數(shù)得到精位移的地址信號,查詢得到精位移。系�(tǒng)框圖如下�

系統(tǒng)框圖

  輸入的兩路信號分別是x1=2.5*sin(fai)+2.5(v),x2=-2.5*cos(fai)+2.5(v);在DSP中有專門�16路A/D轉換電路,因而不用再設計A/D轉換電路。A/D轉換后得到y(tǒng)1=|2.5*sin(fai)|,y2=|-2.5*cos(fai)|。對其進行卦限計數(shù)�

  A/D轉換周期由軟件設�,而在硬件電路實現(xiàn)�,必須要考慮卦限信號,控制信號的高度同步,但在實際電路中是很難做到的�

  如果將該�(shù)據與相位之間的對應關系用一張表來描�,就是我們所建立的細分表,放在DSP中的SRAM中,DSP中集成了2K×16的sram,足夠放置查詢表。兩者之間并不是一一對應關系�

 ?。‵AI�(t)=arctanθt∝sinxt/cosxt;

  軟件流程圖如下:

軟件流程圖

  軟件程序流程圖:

  U函數(shù)取為U=y1*y2*(y2-y1);當U為零�,卦限信號就增加1

  ; ;;;;;;;;;;-------細分程序

  XIFEN: LDP #0E1h;

  CLRC SXM ; 抑制符號位擴�

  LACC RESULT0,10

  SACH X1 ; 存X1�

  LACC RESULT1,10 ;

  SACH X2; 存X2�

  SETC SXM ;允許符號位擴�

  LACL R1SIN;

  SUB #JUNZHI ;(2.5V);

  ABS

  SACL Y1 ; 得到y(tǒng)1

  LACL X2;

  SUB #JUNZHI(2.5V);

  ABS

  SACL Y2 ; 得到y(tǒng)2

  SUB Y1 ;

  SACL Y ; 得到Y=y2-y1�,保存 ;用dsp中計�(shù)器T4記卦�

  BCND ss,NEQ

  Lacl y1

  BCND ss,NEQ

  Lacl y2

  BCND ss,NEQ ;若U�0,卦限計�(shù)器計�(shù)

  set t4clkin ; 為計�(shù)器提供脈�

  ss� LACL y

  BCND DEVISION,GEQ ; 判斷卦限,y2>=y1 時,直接y1/y2;否則y2/y1,除�(shù)變被除數(shù)

  JIAOHUAN� LACC y1 ; y1和y2交換

  SACL TEMP_AD ;

  LACL y2 ;

  SACL y1 ;

  LACC TEMP_AD ;

  SACL y2 ; y2/y1 ; 毫秒為Q8格式

  DEVISION LACC R1SIN �6;;;;取分子并左�6��

  RPT �15 ; 后面的指令執(zhí)�15�1��

  SUBC R2COS ;16 CYCLE DIVIDED LOOP

  ; .ACC中的�(shù)據減去Demon �10�,直到被減數(shù)小于0

  SACL QUOT ; 得到�

  SACH REMAIN ; 得到余數(shù)

  LACC REMAIN; 取余�(shù)后再�

  RPT �13 ; 后面的指令執(zhí)�14��

  SUBC DENOM;

  AND QUOT;

  ; SACL QUOT ;;;保存�。得到十位地址信號。用此信號得到RAM中對應地址細分值保存在DSP的sram中)

  ADD #0800h ;SRAM 初始地址為#0800H�

  SAL XIFEN_ADR ;

  LACC #XIFEN_ADR

  ADD #0800h ;SRAM 初始地址為#0800H

  SAL XIFEN_ADR ;

  LACL Y ;Y2>=Y1 ;

  BCND yy2 ,GEQ

  LACL #05h ;設編碼最小柵格為40秒,一個卦限為5��

  SUB #XIFEN_ADR

  B YY

  YY2: LACC #XIFEN_ADR

  YY: Ldp #0eah ;

  LT t4cnt ;卦限�

  MPY #05h ; 一個卦限相�5��

  APAC 得到精確細分�

  根據得到的細分值與整周期值相加就可以得到對應的光柵編碼信��

  當速度特別慢時,用軟件判卦限會出現(xiàn)重復計數(shù)。也就是一個細分周期里,電機轉動的位移小于20/1024�,如下圖。卦限函�(shù)使得卦限�1,產生錯�。我們要舍棄這個計�(shù)�

  為了解決這個問�,我們把軟件的判卦限程序改以下:用一個flaggx標志來表示卦限信號是否剛記過。剛剛記�,就舍棄掉。改正的程序流程如下��

  3 軟件辨向

  要精確的控制電機,就必須精確判斷當電機轉動出�(xiàn)來回擺動時的方向。對硬件辨向只能做到在整周期計數(shù)時知道電機的轉動方向,當在一個整周期內方向改變時,硬件辨向就不能及時的傳遞方向信�。我們根據判方向的規(guī)則,在軟件中完成辨向,在1�2�7�8卦限,x2小于等于2.5v時為順時針轉�,大�2.5v為逆時針轉�;�3�4�5�6卦限,x2大于2.5v時為順時針轉�� 小于等于2.5v為逆時針轉�;程序流程�

  direction=1,表示順時針,�0是逆時��

  若做�1024細分, 分八個卦�,每個卦限有256個細分�。在DSP中只需�256×16個單元存儲細分值即可�

  細分碼如下:

  在DSP中有

細分�

地址�

卦限地址

A/D轉換得到的地址

000�0000�0000

000 3

00�0000�0000�00�0000�0010

000�0000�0001

000 6

00�0000�0011�0000�0010�101

000�0000�0010

� 9

1001

000�0000�0011

�13

1101

000�0000�0100

�16

10000

000�0000�0101

19

1

000�0000�0110

22

 

000�0000�0111

25

 

000�0000�1001

28

 

000�0000�1010.....

31

 

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35

 

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41

 

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44

 

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47

 

000�0001�0000

50

 

000�0001�0001

53

 

000�0001�0010

57

 

 

60

 

 

63

 

 

66

 

 

69

 

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366

 

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370

 

000�0111�0001

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406

 

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424

 

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......

 

 

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945

 

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