采用光電旋轉碼盤對步進電機進行定位

何國華

【摘要】 由于光電碼盤具有分辨率高、響應速度快、體積小、輸出穩定、耐惡劣環境等特點，所以在電機伺服控制系統中得到了廣泛應用。本文介紹了如何采用光電旋轉碼盤對步進電機的位置進行定位以及如何解決因系統的不完善性及使用和維護不當造成的問題。

【關鍵詞】 光電碼盤 光柵盤 步進電機 數字量傳感器

一、步進電機原理

步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉是以固定的角度（稱為“步距角”）一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差（精度為100%）。步進電機的運行要由步進電機驅動器進行驅動，它是把控制系統發出的脈沖信號轉換為步進電機的角位移。因此，步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，通過控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調速；通過控制步進脈沖的個數，即可對電機精確定位。

二、光電碼盤原理

步進電機的位置采用光電旋轉碼盤進行定位，光電碼盤學名光電編碼器，由光柵盤和光電檢測裝置組成，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，是目前應用最多的傳感器。

工作時，光投射在碼盤上，碼盤隨運動物體一起旋轉，透過亮區的光經過狹縫后由光敏元件接收，光敏元件的排列與碼道一一對應，對于亮區和暗區的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”，即A、B兩組脈沖。當碼盤旋轉在不同位置時，光敏元件輸出若干脈沖信號的組合反映出一定規律的數字量，代表了碼盤軸的角位移。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號。原理如圖1所示。

光電碼盤有A、B、Z三相輸出，A相和B相輸出占空比為50%的方波。A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉方向，碼盤每旋轉一周，A相和B相輸出固定數目的脈沖。碼盤正向旋轉時，A相比B相超前1/4周期；反向旋轉時，B相比A相超前1/4周期，如圖2所示。

而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。計數過程由可編程計數器或微處理器內部定時/計數器實現計數，經計數器計數后，轉化為相對位置。將可調元件的實際位置采用光電碼盤的計數測量與要求的預置值進行數字運算比較，其誤差在數字上等于零。根據比較誤差來控制執行電機轉動：當預置值大于實際值，控制電機正轉；當預置值小于實際值，控制電機反轉；當預置值等于實際值，控制電機不轉。當需控制的電機數量較多時，采用FPGA實現會更為簡單。

增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。旋轉增量式編碼器以轉動時輸出脈沖，通過計數設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖。

三、控制示意圖

用每轉1000個脈沖（0.360/單脈沖）的光電碼盤完成電機控制板內的數字計數，極大提高計算精度。以單路電機控制為例，其控制示意圖如圖3所示：

四、運行中問題及解決

（1）安裝：在選在編碼器中有A、B、Z三相輸出，A 和 B 為脈沖信號 通過對AB兩相進行正交計數來實現計數和判向，Z 為零點位置信號，編碼器每旋轉一圈 Z相會輸出一個零點脈沖，用來作為一個起始位置標記。所以在安裝中要特別注意中軸切口與Z相起始位置的對應。如圖4所示：

D切口一定要與原點位置（Z相標記）一致，如果不能達到嚴格一致，D點可以前置原點一些角度，最好不要超過30°，千萬不能滯后原點，如果滯后原點，在轉動過程中會產生很大的誤差。

（2）振動：當碼盤的震動幅度超過四分之一周期的長度時，就會觸發FPGA內計數器，導致誤計數開始。雖然FPGA內部增加了濾波消抖電路，但是由于這種來自碼盤的干擾達到了正常的AB脈沖寬度，導致芯片無法識別這種干擾的真實性，電機實際數字在不停地增大或者減小的現象。

為了減少振動給編碼器帶來的影響， 光電編碼器和步進電機可采用一個齒輪連接，齒輪采用了一種特殊的齒輪，張力彈簧拼合齒輪裝置，如圖5所示。

（3）干擾：存在干擾時，干擾信號會觸發控制芯片，導致電機誤動作。采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個重要的技術特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強的防護能力，因為空間電磁場在線上產生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個技術特點是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。另外，要保證屏蔽層良好 接地。

五、結束語

用旋轉式光電碼盤作為位置傳感器，將角位移轉換成二進制碼或脈沖串完成步進電機控制，可以對電機更為精確調速和精確定位，在現代傳動系統中廣泛應用。

【摘要】 由于光電碼盤具有分辨率高、響應速度快、體積小、輸出穩定、耐惡劣環境等特點，所以在電機伺服控制系統中得到了廣泛應用。本文介紹了如何采用光電旋轉碼盤對步進電機的位置進行定位以及如何解決因系統的不完善性及使用和維護不當造成的問題。

【關鍵詞】 光電碼盤 光柵盤 步進電機 數字量傳感器

一、步進電機原理

步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉是以固定的角度（稱為“步距角”）一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差（精度為100%）。步進電機的運行要由步進電機驅動器進行驅動，它是把控制系統發出的脈沖信號轉換為步進電機的角位移。因此，步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，通過控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調速；通過控制步進脈沖的個數，即可對電機精確定位。

二、光電碼盤原理

步進電機的位置采用光電旋轉碼盤進行定位，光電碼盤學名光電編碼器，由光柵盤和光電檢測裝置組成，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，是目前應用最多的傳感器。

工作時，光投射在碼盤上，碼盤隨運動物體一起旋轉，透過亮區的光經過狹縫后由光敏元件接收，光敏元件的排列與碼道一一對應，對于亮區和暗區的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”，即A、B兩組脈沖。當碼盤旋轉在不同位置時，光敏元件輸出若干脈沖信號的組合反映出一定規律的數字量，代表了碼盤軸的角位移。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號。原理如圖1所示。

光電碼盤有A、B、Z三相輸出，A相和B相輸出占空比為50%的方波。A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉方向，碼盤每旋轉一周，A相和B相輸出固定數目的脈沖。碼盤正向旋轉時，A相比B相超前1/4周期；反向旋轉時，B相比A相超前1/4周期，如圖2所示。

而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。計數過程由可編程計數器或微處理器內部定時/計數器實現計數，經計數器計數后，轉化為相對位置。將可調元件的實際位置采用光電碼盤的計數測量與要求的預置值進行數字運算比較，其誤差在數字上等于零。根據比較誤差來控制執行電機轉動：當預置值大于實際值，控制電機正轉；當預置值小于實際值，控制電機反轉；當預置值等于實際值，控制電機不轉。當需控制的電機數量較多時，采用FPGA實現會更為簡單。

增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。旋轉增量式編碼器以轉動時輸出脈沖，通過計數設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖。

三、控制示意圖

用每轉1000個脈沖（0.360/單脈沖）的光電碼盤完成電機控制板內的數字計數，極大提高計算精度。以單路電機控制為例，其控制示意圖如圖3所示：

四、運行中問題及解決

（1）安裝：在選在編碼器中有A、B、Z三相輸出，A 和 B 為脈沖信號 通過對AB兩相進行正交計數來實現計數和判向，Z 為零點位置信號，編碼器每旋轉一圈 Z相會輸出一個零點脈沖，用來作為一個起始位置標記。所以在安裝中要特別注意中軸切口與Z相起始位置的對應。如圖4所示：

D切口一定要與原點位置（Z相標記）一致，如果不能達到嚴格一致，D點可以前置原點一些角度，最好不要超過30°，千萬不能滯后原點，如果滯后原點，在轉動過程中會產生很大的誤差。

（2）振動：當碼盤的震動幅度超過四分之一周期的長度時，就會觸發FPGA內計數器，導致誤計數開始。雖然FPGA內部增加了濾波消抖電路，但是由于這種來自碼盤的干擾達到了正常的AB脈沖寬度，導致芯片無法識別這種干擾的真實性，電機實際數字在不停地增大或者減小的現象。

為了減少振動給編碼器帶來的影響， 光電編碼器和步進電機可采用一個齒輪連接，齒輪采用了一種特殊的齒輪，張力彈簧拼合齒輪裝置，如圖5所示。

（3）干擾：存在干擾時，干擾信號會觸發控制芯片，導致電機誤動作。采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個重要的技術特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強的防護能力，因為空間電磁場在線上產生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個技術特點是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。另外，要保證屏蔽層良好 接地。

五、結束語

用旋轉式光電碼盤作為位置傳感器，將角位移轉換成二進制碼或脈沖串完成步進電機控制，可以對電機更為精確調速和精確定位，在現代傳動系統中廣泛應用。

【摘要】 由于光電碼盤具有分辨率高、響應速度快、體積小、輸出穩定、耐惡劣環境等特點，所以在電機伺服控制系統中得到了廣泛應用。本文介紹了如何采用光電旋轉碼盤對步進電機的位置進行定位以及如何解決因系統的不完善性及使用和維護不當造成的問題。

【關鍵詞】 光電碼盤 光柵盤 步進電機 數字量傳感器

一、步進電機原理

步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉是以固定的角度（稱為“步距角”）一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差（精度為100%）。步進電機的運行要由步進電機驅動器進行驅動，它是把控制系統發出的脈沖信號轉換為步進電機的角位移。因此，步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，通過控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調速；通過控制步進脈沖的個數，即可對電機精確定位。

二、光電碼盤原理

步進電機的位置采用光電旋轉碼盤進行定位，光電碼盤學名光電編碼器，由光柵盤和光電檢測裝置組成，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，是目前應用最多的傳感器。

工作時，光投射在碼盤上，碼盤隨運動物體一起旋轉，透過亮區的光經過狹縫后由光敏元件接收，光敏元件的排列與碼道一一對應，對于亮區和暗區的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”，即A、B兩組脈沖。當碼盤旋轉在不同位置時，光敏元件輸出若干脈沖信號的組合反映出一定規律的數字量，代表了碼盤軸的角位移。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號。原理如圖1所示。

光電碼盤有A、B、Z三相輸出，A相和B相輸出占空比為50%的方波。A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉方向，碼盤每旋轉一周，A相和B相輸出固定數目的脈沖。碼盤正向旋轉時，A相比B相超前1/4周期；反向旋轉時，B相比A相超前1/4周期，如圖2所示。

而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。計數過程由可編程計數器或微處理器內部定時/計數器實現計數，經計數器計數后，轉化為相對位置。將可調元件的實際位置采用光電碼盤的計數測量與要求的預置值進行數字運算比較，其誤差在數字上等于零。根據比較誤差來控制執行電機轉動：當預置值大于實際值，控制電機正轉；當預置值小于實際值，控制電機反轉；當預置值等于實際值，控制電機不轉。當需控制的電機數量較多時，采用FPGA實現會更為簡單。

增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。旋轉增量式編碼器以轉動時輸出脈沖，通過計數設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖。

三、控制示意圖

用每轉1000個脈沖（0.360/單脈沖）的光電碼盤完成電機控制板內的數字計數，極大提高計算精度。以單路電機控制為例，其控制示意圖如圖3所示：

四、運行中問題及解決

（1）安裝：在選在編碼器中有A、B、Z三相輸出，A 和 B 為脈沖信號 通過對AB兩相進行正交計數來實現計數和判向，Z 為零點位置信號，編碼器每旋轉一圈 Z相會輸出一個零點脈沖，用來作為一個起始位置標記。所以在安裝中要特別注意中軸切口與Z相起始位置的對應。如圖4所示：

D切口一定要與原點位置（Z相標記）一致，如果不能達到嚴格一致，D點可以前置原點一些角度，最好不要超過30°，千萬不能滯后原點，如果滯后原點，在轉動過程中會產生很大的誤差。

（2）振動：當碼盤的震動幅度超過四分之一周期的長度時，就會觸發FPGA內計數器，導致誤計數開始。雖然FPGA內部增加了濾波消抖電路，但是由于這種來自碼盤的干擾達到了正常的AB脈沖寬度，導致芯片無法識別這種干擾的真實性，電機實際數字在不停地增大或者減小的現象。

為了減少振動給編碼器帶來的影響， 光電編碼器和步進電機可采用一個齒輪連接，齒輪采用了一種特殊的齒輪，張力彈簧拼合齒輪裝置，如圖5所示。

（3）干擾：存在干擾時，干擾信號會觸發控制芯片，導致電機誤動作。采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個重要的技術特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強的防護能力，因為空間電磁場在線上產生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個技術特點是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。另外，要保證屏蔽層良好 接地。

五、結束語

用旋轉式光電碼盤作為位置傳感器，將角位移轉換成二進制碼或脈沖串完成步進電機控制，可以對電機更為精確調速和精確定位，在現代傳動系統中廣泛應用。