光电码盘四倍频分析
发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:2172
来源：《电子技术应用》
摘要：提高位置测量的精度，是提高电机定位精度的主要途径。作为当前常用转角位置传感器的增量式光电码盘，常采用四倍频的方法提高其测量精度。针对一些精度和稳定性不高的四倍频电路在应用中造成的误差详细分析了两种可应用于不同环境的四倍频电路，从原理上说明了电路的精度和稳定性其结论在实际应用中也得到了验证。 关键词：电机控制 伺服电路 光电码盘
在分布于各个行业的大量机电系统的设计中，定位精度常常是最关键的性能指标之一。在此类系统的设计中，当前主要使用电机作为驱动，因此研究提高电机伺服系统定位精度的方法，对提高机电系统性能具有重要的意义。对于一个设计完善的伺服系统而言，其定位精度主要取决于位置测量装置[１]。由于光电码盘具有分辨率高、响应速度快、体积小、重量轻、输出稳定、耐恶劣环境等特点，所以在电机伺服控制系统中得到了广泛应用。通常，光电码盘分为绝对式和增量式两种。绝对式码盘在任意位置都可给出与位置相对应的数字转角输出量，不存在四倍频的问题。增量式码盘是根据轴所转过的角度，输出一系列脉冲，并通过计数电路，对脉冲进行累计计数，得到相对角位移。由于单个绝对码盘的角位移的测量范围仅为０°～３６０°，需多个码盘才能测量大于３６０°的角位移，从而提高了系统的价格和复杂程度；而增量式码盘转角测量范围只受计数电路的位数限制，结构简单，价格较低，因此得到广泛应用。本文提到的光电码盘，都是指增量式码盘。
在实际应用中，通常采用四倍频的方法以提高光电码盘的定位精度。因此，结构简单、性能稳定、运行可靠的四倍频电路，是电机伺服电路的一个重要组成部分。通常，光电码盘的四倍频电路与判向电路设计为一个整体，故又统称为四倍频及判向电路。能够实现四倍频的电路结构很多，但我们在应用中发现，由于某些四倍频电路的精度或稳定性不高，从而使加入四倍频电路后，精度本应得到提高的系统，整体性能反而下降，从而使系统无法达到设计要求[２]。为此，我们在分析几种常见四倍频电路的基础上，针对不同的应用，设计了两种不同的电路实现方案。下面，对四倍频电路的设计原理及两种方案的结构和使用方法进行讨论。
１ 四倍频电路设计原理
光电码盘的典型输出为两个相位差为９０°的方波信号（ａ和ｂ），以及零位脉冲信号ｚ（见图１）。其中，ａ、ｂ两相信号的脉冲数标志码盘轴所转过的角度，ａ、ｂ之间的相位关系标志码盘的转向，即当ａ相超前ｂ相９０°时，标志码盘正转（见图１ａ），当ｂ相超前ａ相９０°时，码盘反转（见图１ｂ）。
对于每个确定的码盘，其脉冲周期ｔ对应的码盘角位移固定为θ，故其量化误差为θ／２。如果能够将ａ或ｂ信号四倍频，则计数脉冲的周期将减小到ｔ／４，量化误差下降为θ／８，从而使光电码盘的角位移测量精度提高４倍。由于伺服系统中的码盘转速具有不可预见性，造成脉冲周期ｔ具有不确定的特点，从而无法使用锁相环等常用倍频方案。详细观察图１可以发现，在脉冲周期ｔ内，ａ、ｂ两相信号共产生了四次变化，即ｔ１、ｔ２时刻的上升沿和ｔ３、ｔ４时刻的下降沿。尽管ｔ不确定，但由于ａ、ｂ两方波信号之间相位关系确定，使这四次变化在相位上平均分布，如果利用这四次变化产生四倍频信号，则可以实现光电码盘测量精度的提高。
四倍频后的码盘信号，需经计数器计数后，才能转化为相对位置。计数过程一般有两种实现方法：一是由可编程计数器或微处理器内部定时／计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数。当需控制的电机数量少时，前一方案附加元件少，结构简单，较为容易实现。如使用８０３１控制一路电机，则无需添加任何器件，利用其内部的ｔ０及ｔ１计数器，即可实现计数。当需控制的电机数量较多时，则采用后一种方案，利用复
来源：《电子技术应用》
摘要：提高位置测量的精度，是提高电机定位精度的主要途径。作为当前常用转角位置传感器的增量式光电码盘，常采用四倍频的方法提高其测量精度。针对一些精度和稳定性不高的四倍频电路在应用中造成的误差详细分析了两种可应用于不同环境的四倍频电路，从原理上说明了电路的精度和稳定性其结论在实际应用中也得到了验证。 关键词：电机控制 伺服电路 光电码盘
在分布于各个行业的大量机电系统的设计中，定位精度常常是最关键的性能指标之一。在此类系统的设计中，当前主要使用电机作为驱动，因此研究提高电机伺服系统定位精度的方法，对提高机电系统性能具有重要的意义。对于一个设计完善的伺服系统而言，其定位精度主要取决于位置测量装置[１]。由于光电码盘具有分辨率高、响应速度快、体积小、重量轻、输出稳定、耐恶劣环境等特点，所以在电机伺服控制系统中得到了广泛应用。通常，光电码盘分为绝对式和增量式两种。绝对式码盘在任意位置都可给出与位置相对应的数字转角输出量，不存在四倍频的问题。增量式码盘是根据轴所转过的角度，输出一系列脉冲，并通过计数电路，对脉冲进行累计计数，得到相对角位移。由于单个绝对码盘的角位移的测量范围仅为０°～３６０°，需多个码盘才能测量大于３６０°的角位移，从而提高了系统的价格和复杂程度；而增量式码盘转角测量范围只受计数电路的位数限制，结构简单，价格较低，因此得到广泛应用。本文提到的光电码盘，都是指增量式码盘。
在实际应用中，通常采用四倍频的方法以提高光电码盘的定位精度。因此，结构简单、性能稳定、运行可靠的四倍频电路，是电机伺服电路的一个重要组成部分。通常，光电码盘的四倍频电路与判向电路设计为一个整体，故又统称为四倍频及判向电路。能够实现四倍频的电路结构很多，但我们在应用中发现，由于某些四倍频电路的精度或稳定性不高，从而使加入四倍频电路后，精度本应得到提高的系统，整体性能反而下降，从而使系统无法达到设计要求[２]。为此，我们在分析几种常见四倍频电路的基础上，针对不同的应用，设计了两种不同的电路实现方案。下面，对四倍频电路的设计原理及两种方案的结构和使用方法进行讨论。
１ 四倍频电路设计原理
光电码盘的典型输出为两个相位差为９０°的方波信号（ａ和ｂ），以及零位脉冲信号ｚ（见图１）。其中，ａ、ｂ两相信号的脉冲数标志码盘轴所转过的角度，ａ、ｂ之间的相位关系标志码盘的转向，即当ａ相超前ｂ相９０°时，标志码盘正转（见图１ａ），当ｂ相超前ａ相９０°时，码盘反转（见图１ｂ）。
对于每个确定的码盘，其脉冲周期ｔ对应的码盘角位移固定为θ，故其量化误差为θ／２。如果能够将ａ或ｂ信号四倍频，则计数脉冲的周期将减小到ｔ／４，量化误差下降为θ／８，从而使光电码盘的角位移测量精度提高４倍。由于伺服系统中的码盘转速具有不可预见性，造成脉冲周期ｔ具有不确定的特点，从而无法使用锁相环等常用倍频方案。详细观察图１可以发现，在脉冲周期ｔ内，ａ、ｂ两相信号共产生了四次变化，即ｔ１、ｔ２时刻的上升沿和ｔ３、ｔ４时刻的下降沿。尽管ｔ不确定，但由于ａ、ｂ两方波信号之间相位关系确定，使这四次变化在相位上平均分布，如果利用这四次变化产生四倍频信号，则可以实现光电码盘测量精度的提高。
四倍频后的码盘信号，需经计数器计数后，才能转化为相对位置。计数过程一般有两种实现方法：一是由可编程计数器或微处理器内部定时／计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数。当需控制的电机数量少时，前一方案附加元件少，结构简单，较为容易实现。如使用８０３１控制一路电机，则无需添加任何器件，利用其内部的ｔ０及ｔ１计数器，即可实现计数。当需控制的电机数量较多时，则采用后一种方案，利用复
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