基于光电编码器的速度反馈与控制技术

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摘 要：光电编码器具有很多优势，在很多行业都具有很广泛的应用，在速度反馈和控制技术方面，光电编码器也体现出了其无可比拟的优势，因此，我们研究光电编码器的速度反馈与控制技术极具意义。本文将从以下几个方面来分析光电编码器的速度反馈与控制技术。

关键词：广电编码；速度；反馈；控制；技术

中图分类号： TU71 文献标识码： A 文章编号：

一、前言

目前，广电编码器在国内的应用虽然很广泛，但是在速度反馈与控制技术仍然存在一定的开发和研究的潜力，因此，我们要对基于光电编码器的速度反馈与控制技术进行研究。

二、光电编码器概念阐述

手轮全称手动脉冲发生器，又称光电编码器。主要用于数控机床：立式加工中心、卧式加工中心、龙门加工中心等数控设备，如造型新颖，移动方便，抗干扰，带载能力强；全塑料外壳，绝缘强度高，防油污密封设计；具备X1，X10，X100三档倍率，可实现4轴倍率切换；具备控制开关、急停开关可选，人性设计，便于操作。

三、模拟与数字速度反馈方式的分析对比

输出模拟量反馈参数的常用器件有:测速发电机、测角模块、速率陀螺等。测速电机在早期的应用十分普遍,他具有测速精度较高、输出信号稳定等特点。但他体积一般较大,应用场合受到限制;长期工作会造成温度升高,引起输出信号的漂移,并且炭刷磨下来的炭粉积存在换向片之间的槽内,容易造成测速发电机片间短路。测角模块输出的速度信号在低速时精度较差、并且杂波多、信噪比低,较少应用。速率陀螺由于自身的结构特点而对震动敏感,受震时反馈信号出现波动,会引起电机的振动,因此应用上有一定的局限性。

模拟量的速度反馈一般以两种方式实现:在以电路闭环直接完成速度反馈的方式中,控制数据经D/A转换产生的模拟量作为给定信号,反馈信号与给定信号一起送至比较器电路形成反馈。在另一方式中,控制计算机通过A/D转换器对模拟速度反馈信号进行数据采集,并与代表给定速度的数据进行比较运算,输出合适的控制信号。而数字式速度反馈与控制是通过对光电编码器输出脉冲进行计数,将所得数据直接送给计算机,无需A/D转换等环节,并通过数字I/O口直接输出PWM控制脉冲。光电编码器的输出同时也提供了位置环的信息,通过相应的程序解算,也可以完成位置环的控制。

四、光电编码器的测速原理及应用

1、光电编码器的测速原理

采用光电编码器完成反馈控制的原理如图1所示。光电编码器与电动机主轴直接联接,从而使编码器转速与电机完全一致。其工作原理是:光电编码器随电机旋转,产生与转速成正比的两相(A相、B相)相差90°相位角的正交编码脉冲。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转,否则为反转。A线用来测量脉冲个数,B线与A线配合可测量出转动方向。由此可测出电机转速与转向。光电编码器在低速时输出脉冲数较少,按一般的方法应用很难保证精确性。为了提高测量精度和分辨率,除选用高分辨的光电编码器外,还可以将编码器的输出脉冲进行多倍频细分,再由计数器对产生的多倍频脉冲信号进行计数。通过测量时间T和在时间T内计数器对被测脉冲信号的计数值Md,计算后就可以确定电机的转速。速度给定数据由主控计算机送来,与实测的转速数据相比较,控制系统根据比较结果输出控制参数,完成速度反馈的闭环控制。

2、常用的测速方法介绍

常用的测速方法有3种:分别为T法、M法和M/T法。T法是通过计量编码器两个相邻脉冲的时间间隔来确定转速,该方法在转速高时准确性较差,一般适用于速度比较低的场合;M法是通过测量一段固定时间内编码器的脉冲数来确定转速,适合于高速场合;而M/T法则是前两种方法的结合,在整个速度范围内都有较好的准确性。但在低速时为保证结果的准确性,该方法需要较长的检测时间,这样就无法满足转速检测系统的快速动态响应指标,因而又出现了变M/T测速法。变M/T测速法原理如图2所示。

所谓变M/T法,是指测速过程中,既检测光电编码器计数脉冲Md,还同时检测高频时钟脉冲Mt,检测时间T始终等于Md个脉冲信号周期之和。Md个数可预置,但显然检测时间T不是固定的,T随着转速的升高而减少。变M/T法测量原理如图1所示。其中测量时间T由高频时钟脉冲计取,即T=Mt×To,Mt为高频时钟脉冲计数值,To为高频时钟周期。

3、ADUC824在数字反馈中的应用

由分立器件构成的变M/T法测量电路存在着电路结构复杂的缺点,除电阻、电容外,还需要多片门电路、触发器、芯片等,器件多功耗大。易受外界噪声的干扰,可靠性较差。ADUC824是AD公司新推出的8051内核高性能系统型单片机,内部集成了A/D,D/A,FLASH,WDT,μP监控电路、温度传感器、SPI和I2C总线接口等丰富资源,体积小、功耗低、非常适合用于各类智能变送器、智能传感器等领域。可在线调试,并具备工业级的温度范围。用ADUC824为核心完成光电编码器速度反馈系统的设计,简化了电路的设计。ADUC824原理框图如图3所示。

ADUC824内含3个16b定时/计数器;1个时间间隔计数器。力矩电机一般工作在低速状态,测速时脉冲计时时间较长,标准的8051定时/计数器难以胜任,利用ADUC824特有的时间间隔计数器,以机器周期时钟作为高频计时脉冲,可以轻易做到这一点。利用ADUC824的定时/计数器T0来测量光电编码器的脉冲个数,T0置于计数器状态,工作于16b方式,将需测量的光电编码器脉冲数Md装入寄存器,在计数器的中断程序中,ADUC824获取时间计数器的高频时钟脉冲计数值,根据公式(1)计算电机转速,这样可实现准确测速。T1置于16b的定时器方

式,控制P2.7口高低电平的保持时间,输出所需占空比的PWM脉冲。片外倍频器输出光电编码器脉冲的倍频信号用于计数并产生电机转动的方向信号。片内主A/D对I/O口输出的PWM脉冲进行数据采集,监测控制信号的输出。设备的整个控制系统分上位机和下位机两部分。上位机主要完成系统的设置监测、指令的下达以及系统的其他任务。ADUC824作为下位机主要完成以下工作:

(1)通过串口完成与上位机的通信,接受设备随动控制指令,发送采集的数据和工作状态。

(2)根据光电编码器输出的信息,实现变M/T法测速;利用I/O口通过编程直接输出PWM信号至功放电路,控制电机运行。完成速度环和位置环的闭环控制。

(3)上位机送来速度环或位置环的参数,由ADUC824自动完成随动系统的伺服控制工作,无需上位机的干预,节省了主控计算机的资源,提高了工作效率。

(4)ADUC824根据需要可以测试、显示或输出系统的工作状态。

四、基于锁相环的测速系统数学模型

为了用软件模拟光码盘的输出，首先必须向单片机或数字信号处理器（DSP）提供电机转子位置和速度信息。以一台永磁同步电动机为例，根据锁相环的测频原理，利用永磁同步电动机Ld＝Lq的特性，通过检测电机相电流和相电压，实时计算出电机的转子信息。锁相环的测频原理如图3所示，压控振荡器的输出信号反馈至相位比较器，与相位比较器的外部输入信号Ui作比较，产生的误差信号Ue经低通滤波器后得到控制信号Ud，Ud作用于压控振荡器，使输出信号和输入信号的频率相等，相位差恒定。

五、光电编码器在测量小车速度中的应用实例分析

1、光电编码器测量小车速度的原理

光电编码器是由一个红外发射接受装置和一个码盘构成。当红外光由发射器射出，射于黑色条纹上时，将被间断地反射于接收器上，在接收器的输入端会受到通轮子转速为正比关系的光脉冲信号，进而在接收器的输出端形成具有一定频率的电信号。再利用微处理器对电脉冲进行计算，就可以得到小车的移动速度。其中小车行驶距离L的表达式为：L＝πD/n*nx公式中n为码盘上黑白条纹的个数；D为驱动轮的外径，nx为实际测量中电脉冲政府跳变的次数。小车的行驶速度V的计算表达式为V＝L/t，公式中，t表示时间。

2、光电编码器测量小车速度的操作

本案例中采用绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相问组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。

首先，选用专门用于用于控制轮式机器人的Handy-board主板和内置光敏集成电路和红外线发射管的P8557红外传感器。在驱动轮上贴32道黑白条纹的圆形码盘，驱动轮轴和码盘的圆心重合，在码盘表面的2mm处进行红外传感器的固定，从而构成反射式增量编码器；其次，执行四次LCD中断程序和一次检测程序。当心中断的程序进行调入时，将TOC4圆心的矢量中断入口地址转嫁于新终端程序。在执行程序时，先执行中断程序，后执行编码器原中断程序；最后，驱动程序采用中断的插入方式，使用中断始终TOC4执行计数。在中断程序调入之后，先进行中断程序的初始化，随即插入编码器相位的中断程序。在执行主中断程序时，先调试编码器状态，然后对编码器进行取样，将取样的编码器状态存入于寄存器当中，再将寄存器调试到上一次的编码器相位取样状态。最后，执行累加操作。对操作中的数据进行统计，将数据带人小车行驶路程L的公式当中，求出L，后根据时间，直接带人到小车行驶的速度V公式当中，进而用光电编码器对小车速度的测量

六、光电编码器的发展趋势

纵观国内外光电轴角编码器的现状,其发展趋势是高精度、高分辨率、高频响、小型化、智能化。下面就某些关键技术和其今后发展状况的介绍。

1、进一步提高光电轴角编码器的性能

2、编码器的体积向小型化发展

3、产品制造向系列化方向发展

4、适用于恶劣的工作环境

5、提高检测设备的精度

总之，DSP用于电机转速测量是一个较新的问题，还有许多内容需要研究，而且如何将实验研究应用于生产实践中还存在一系列问题有待更深一步的研究。

六、结束语

在今后光电编码器的研究中，要重点扩展其在速度反馈方面的应用，研究其科学的速度控制技术，由此来不断的提高光电编码器的应用范围。

参考文献

[1]汪涛、黄声华、万山明，一种基于DSP的伺服电动机转速检测方法[J]．微电机，2006(3)：86～88.

[2]张文海.微特电机低转速测试分析[J].微电机,2005.1.