基于增量式光柵編碼器的高精度角位移測試方法

劉晴晴 韓利軍 任 磊 邵春江

北京航天自動控制研究所, 北京100854

基于增量式光柵編碼器的高精度角位移測試方法

劉晴晴 韓利軍 任 磊 邵春江

北京航天自動控制研究所, 北京100854

針對增量式光柵編碼器，給出一種四倍頻細分結合A/D轉換計算反正切的方法，測量編碼器轉過的角位移。經驗證，該方法能有效提高增量式光柵編碼器的分辨率，得到較高的角位移測量精度。 關鍵詞 增量式光柵編碼器；四倍頻細分；反正切計算；角位移測量

光柵編碼器是一種集光、機、電于一體化的數字化檢測裝置，是通過光電轉換將電機轉子的角位移量轉換成數字量的傳感器，具有分辨率高、精度高、可靠性好、測量范圍廣和使用壽命長等優點，因此，被廣泛應用于航空航天、自動流水線和高精度測速系統等諸多領域中[1]。光柵編碼器按照其測量原理又分為絕對式光柵編碼器和增量式光柵編碼器。絕對式光柵編碼器通過對應電動機軸角位置的編碼值獲得絕對位置信息，不需要測定零位，但價格相對其他方式較為昂貴[2]。增量式光柵編碼器直接利用光電轉換原理輸出矩形波脈沖信號，它的優點是結構簡單、機械平均壽命長、可靠性高、抗干擾能力強和傳輸距離遠；缺點是只能輸出軸轉動的相對位置信息[3]。

本文基于運動控制系統中常見的增量式光柵編碼器，進行高精度的角位移檢測方法研究。現在常用的零位檢測電路采用單限電壓比較器，存在抗干擾能力差的問題。采用滯回電壓比較器，提高了編碼器零位信號檢測電路的抗干擾能力。常用的編碼器信號處理采用四倍頻方式，只能將編碼器分辨率提高4倍；采用四倍頻細分結合A/D采樣方式，將編碼器輸出的相位相差90°的正余弦信號進行四倍頻細分和鑒相，同時對編碼器輸出信號進行A/D轉換，構造反正切函數，進一步細分計算，大幅度提高了編碼器的角位移測量精度。

1 增量式光柵編碼器輸出信號特點

增量式光柵編碼器輸出3路信號，分別為相位相差90°的正弦信號、余弦信號和零位信號。增量式光柵編碼器每次旋轉過0時，其零位輸出端輸出電壓尖峰信號，為零位信號，指示編碼器通過零位位置，如圖1所示。增量式光柵編碼器主軸每旋轉一圈，輸出固定數量的脈沖，脈沖數由光柵編碼器光柵的條數決定。通過對脈沖數計數，就可以得到光柵編碼器轉過的角度，如圖2所示。光柵編碼器輸出A和B兩路相位相差90°的信號。如果A相超前B相，則表示編碼器正轉；若B相超前A相，則表示編碼器反轉。

通過對光柵編碼器輸出信號進行細分處理，就可以得到編碼器轉過的角位移。

圖1 零位信號

圖2 編碼器的輸出原始波形

2 增量式光柵編碼器信號處理方法

2.1 零位信號處理

光柵編碼器每次在旋轉過0時，零位輸出端會輸出尖峰電壓信號，提取出尖峰電壓的位置，就可以得到編碼器的零位位置。本文給出一種增量式光柵編碼器零位信號處理電路，如圖3所示。

圖3 零位信號處理電路

由運算放大器U1、電阻R1、電容C1構成低通濾波和電壓跟隨器電路，可以濾除零位信號上的毛刺。在實際使用中，需要調整RC取值，保證濾波前后信號相位關系不變。

設計電壓比較器，將電壓比較器的閾值電壓與零位尖峰信號進行比較，將零位尖峰電壓信號轉換為高電平脈沖信號輸出。在實際使用過程中，輸入電壓在閾值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的躍變，不管這種微小變化是來源于輸入信號的噪聲還是外部的干擾，因此采用普通的單限電壓比較器，抗干擾能力差。本文采用滯回電壓比較器，利用滯回電壓比較器的滯回特性，可以提高電路的抗干擾能力。如圖3中，由電壓比較器U2、電阻R2，R3和R4構成滯回電壓比較器，滯回電壓比較器的輸出電壓與輸入電壓關系曲線如圖4所示。在輸入電壓逐漸增大的過程中，當ViVT2時，Vo輸出變為低電平。同理，在輸入電壓逐漸減小的過程中，當Vi>VT2時，Vo輸出低電平；當Vi繼續減小，在VT1

圖4 滯回電壓比較器輸入輸出關系

根據圖3，VT1，VT2為：

(1)

(2)

其中，Vd=+5V。

當光柵編碼器每一次經過零位位置時，零位信號處理電路都會給出高電平脈沖信號，使用FPGA電路檢測該脈沖信號，將光柵編碼器上電后第一次過零時的高電平脈沖信號作為有效信號，檢測到該有效信號后，將脈沖計數器的計數值清零。

2.2 正余弦信號細分鑒相

增量式光柵編碼器輸出相位相差90°的正余弦信號，通過對正余弦信號進行細分，可以獲得很高的角位移精度。假設編碼器一圈有N條刻線，則編碼器旋轉一圈，正余弦信號輸出端輸出N個脈沖，細分主要是對正余弦信號進行處理，獲得角位移信息，原理圖如圖5所示。四倍頻鑒相波形如圖6所示。

圖5 正余弦信號細分工作原理圖

2.2.1 四倍頻細分和鑒相

對光柵編碼器輸出的2路相位相差90°的正余弦信號，通過低通濾波和電壓跟隨器，濾除正余弦信號上的毛刺；構建滯回電壓比較器，將正余弦信號轉換為方波信號A和B。編碼器正轉時，A路超前B路；編碼器反轉時，B路超前A路。通過對A路和B路方波信號的跳變沿進行采樣，將一個周期的正余弦信號轉換為4個正向或反向脈沖。每產生1個正向脈沖，將脈沖計數值加1；每產生1個反向脈沖，將脈沖計數值減1，從而完成正余弦信號的四倍頻細分和鑒相，四倍頻細分方法將計數脈沖個數增加了4倍，即將光柵編碼器分辨率提高了4倍。設脈沖計數值為N，N即為四倍頻細分結果。

圖6 四倍頻細分波形示意圖

2.2.2 A/D采樣提高細分精度

如圖5所示，光柵編碼器輸出的這2路正余弦信號經過低通濾波后，同時輸出至放大電路和A/D轉換器，放大電路使正余弦信號波形能滿足A/D轉換器輸入量程要求。對A/D轉換后的數字正余弦信號進行單位化處理后，構造反正切函數，進一步進行細分計算，從而進一步提高編碼器角位移測量精度。

單位化處理是將A/D采樣的數字正余弦信號轉化為幅值相同、直流量為0，且正負對稱的標準正余弦信號，如圖7所示。單位化處理去掉了正余弦信號幅值的影響，僅保留正余弦信號之間的相位關系，簡化了后續反正切計算過程。

圖7 單位化及象限判據示意圖

假設經過單位化的正弦信號為Usinθ，余弦信號為Ucosθ，根據正余弦信號的符號，可以判斷出θ所在的象限，如圖7和表1所示。

表1 象限判據表

根據正余弦信號的幅值，計算反正切值：

(3)

并根據表1中θ所在的象限，將反正切值在(0,π/2]區間進行歸一化：

(4)

最終細分結果為：

(5)

表2 細分結果

2.3 角位移計算

由上述細分結果，得到增量式光柵編碼器相對

其零位轉過的角位移：

(6)

其中，K為增量式光柵編碼器的刻線條數。

3 結論

采用四倍頻細分和A/D轉換計算反正切相結合的方式，對增量式光柵編碼器的輸出進行處理，能有效提高光柵編碼器的分辨率，得到較高的角位移測量精度。對于實際中常用的16200條刻線增量式光柵編碼器，采用12位A/D轉換器，理論上角位移測量精度可以達到0.02″。該技術已應用于實際轉位控制系統中，角位移測量精度優于1″。

[1] 林長友. 光柵編碼器發展現狀分析與展望[J]. 光機電信息，2011，28(6):1-3.( Lin Changyou. Situation Analysis and Prospect of Grating Encoders[J]. OME Information,2011,28(6):1-3.)

[2] 黃巍. 基于增量式光電編碼器的永磁同步電機轉子位置初始定位[J]. 伺服控制，2011,(8):35-37.(Huang Wei. Rotor Incipient Position Location of PMSM Based on Incremental Photoelectric Coded Disk[J]. Servo Control,2011, (8):35-37.)

[3] 陶仁浩. 基于增量式光電編碼器的高精度位置檢測技術研究[D]. 南京：南京航空航天大學, 2012.(Tao Renhao. Research on the High-precision Position Detection Technology Based on Incremental Optical Encoder[D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2012.)

High-Precision Angular Position Detection Technology Based on Incremental Optical Encoder

Liu Qingqing， Han Lijun， Ren Lei， Shao Chunjiang

Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Amethodisdesignedtocalculatetheangularpositionofincrementalopticalencoder,whichisbasedonfourfold-frequencyandA/Dconversioncalculation.Theresolutionoftheincrementalopticalencodercanbeimprovedbyusingthismethod,andhigherangularpositionmeasurementprecisioncanbeacquired.

Incrementalopticalencoder;Fourfold-frequency;Arctangentcalculation;Angularmeasure

2016-06-01

劉晴晴(1983-)，女，山東人，碩士，高級工程師，主要研究方向為慣性測量技術；韓利軍(1982-)，男，河北人，碩士，高級工程師，主要研究方向為導航、制導與控制技術；任 磊(1982-)，男，陜西人，碩士，高級工程師，主要研究方向為導航、制導與控制技術；邵春江(1971-)，男，北京人，碩士，高級工程師，主要研究方向為導航、制導與控制技術。

TP273

A

1006-3242(2017)03-0058-04