光電編碼器辨向電路

1、光電編碼器速度位置的數(shù)據(jù)在電機控制中起著非常重要的作用，其檢測到的精確性能夠直接影響電機控制的精度。速度的測量方法有多種，如感應式轉(zhuǎn)速傳感器、測速發(fā)電機、光電式轉(zhuǎn)速傳感器、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器以及旋轉(zhuǎn)變壓器式轉(zhuǎn)速傳感器等。但目前調(diào)速系統(tǒng)速度以及位置反饋控制中應用較多的為光電編碼器。光電編碼器是一種高精度的數(shù)字化檢測儀器， 是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)廣泛應用的角位移或者角速度的測量裝置，它可以通過光電原理，將一個機械裝置的角度或者位移量轉(zhuǎn)化為電信號（數(shù)據(jù)串或者脈沖信號）。光電編碼器可分為絕對式和增量式兩種，其中，絕對式光電編碼器具有輸出信號與旋轉(zhuǎn)信號對應的特點，但是精度欠缺，成本高；增量式光電編碼器輸出信號為脈沖

2、信號，脈沖個數(shù)和相對旋轉(zhuǎn)位移相關(guān)，與旋轉(zhuǎn)的絕對位置無關(guān)，成本相對于絕對式更低，并且精度高、體積小、響應快、性能穩(wěn)定等特點。 如果預先設(shè)置一個基準位置，則可以利用增量式編碼器完成絕對式編碼器的功能，即也可以測出旋轉(zhuǎn)的絕對位置。實現(xiàn)絕對式編碼器的功能，也即可以測出旋轉(zhuǎn)的絕對位置。增量式光電編碼器在高分辨率、大量程角速率、位移的測量中，它更具有優(yōu)勢。因而，在這個手指康復機器人系統(tǒng)中采用增量式光電編碼器。增量式光電編碼器主要是由機械系統(tǒng)、數(shù)據(jù)掃描系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三個部分組成。其中機械系統(tǒng)主要負責外殼和轉(zhuǎn)動的支撐作用。電氣系統(tǒng)的作用主要是保護、放大、抗干擾以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊?。增量式光電脈沖編碼器由光源、聚光

3、鏡、擋光板、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成。 在光電碼盤上刻度盤上均勻分布一定數(shù)量的光柵，光擋板（檢測光柵）上刻有A、B相兩組與光電碼盤上光柵相對應的透光縫隙。增量式光電脈沖編碼器工作時，光電碼盤隨著工作軸旋轉(zhuǎn)，但是光擋板（檢測光柵）保持不動。有光同時透過光電碼盤和檢測光柵時，電路中產(chǎn)生邏輯“1”信號，沒有透光時產(chǎn)生邏輯“0”信號，從而產(chǎn)生了A、B兩相的脈沖信號。由于檢測光柵上的A、B相兩個透光縫隙的節(jié)距與光電碼盤上光柵的節(jié)距是一致的，并且這兩組透光縫隙錯開四分之一的節(jié)距，從而使得最終信號處理輸出的信號存在90的相位差。在大多數(shù)情況下，如若直接由編碼器的光電檢測器件獲取信號，信號的

4、電平較低，波形也不規(guī)則，不能適應于信號處理、控制和遠距離傳輸?shù)囊?。所以，在編碼器內(nèi)還必須將此信號放大、整形。經(jīng)過處理的輸出信號近似于正弦波或者矩形波。由于矩形波輸出信號易于進行數(shù)字處理，所以矩形信號輸出在定位控制中得到廣泛的應用。正因為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(zhuǎn)方向。 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時AB兩路脈沖的超前、滯后關(guān)系相反。如上圖，在B相的上升沿，如果A相是高電平，則表明電機正轉(zhuǎn)；在B相的上升沿，如果A相是低電平，則表明電機反轉(zhuǎn)。通過辨向電路就可以輕松地判斷出電機的旋轉(zhuǎn)方向。增量式光電編碼器中還有用作參考零位Z相標志脈沖

5、信號，每當光電碼盤旋轉(zhuǎn)一周，就會發(fā)出一個標志信號。Z相標志脈沖通常用做系統(tǒng)坐標的原點，或清零信號，以減少測量的積累誤差。良好的光電編碼器的辨向電路十分重要，因為它是影響系統(tǒng)控制精確度的關(guān)鍵因素。任何脈沖的丟失或者脈沖輸出錯誤都不允許。如果僅僅知道A、B相的脈沖輸出信號，計算機無法識別輸出桿的位移與方向。辨向電路可以將正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時的AB相脈沖輸出分離，當光電編碼器正轉(zhuǎn)的時候，只有A相有脈沖信號輸出，B相輸出的脈沖信號處理為低電平；當光電編碼器反轉(zhuǎn)的時候，只有B相有脈沖信號輸出，A相輸出的脈沖信號處理為低電平。如此做便可以將A、B相的輸出信號進行解碼分離，從而便于微控制器能夠通過外部的引腳觸發(fā)中斷

6、計數(shù)，從而可以計算出電機旋轉(zhuǎn)的角度。光電編碼器的信號處理分為兩個部分。第一部分是對光電編碼器直接輸出信號進行整形處理。第二部分為光電編碼器解碼分離電路。信號整形電路施密特觸發(fā)器作為一種波形整形電路，可以將模擬信號的波形整形為數(shù)字電路可以處理的方波。在數(shù)字系統(tǒng)中，由于矩形脈沖在傳輸?shù)倪^程中，容易發(fā)生波形畸變，也可能出現(xiàn)上升和下降不理想的情況，使用施密特觸發(fā)器進行整形可以獲得較為清晰理想的矩形脈沖。這是由于施密特觸發(fā)器與普通門電路不同，對于正向遞加和負向遞減的兩種不同變化的輸入信號，它具有兩個閾值電壓，即正向閾值電壓和負向閾值電壓。輸入信號由低到高電平過程中是的電路狀態(tài)變化的輸入電壓叫正向閾值電壓

7、，反之為負向閾值電壓。正向閾值電壓和負向閾值電壓差值叫回差電壓。 只有當輸入電壓有足夠的變化時，才能引起輸出信號的變化，施密特觸發(fā)器所具備的指滯回特性，表明施密特觸發(fā)器具備一定的記憶能力，回差電壓的存在，使得施密特觸發(fā)器具有較強的干擾能力。實際的電路中，我們采用74HC14D六反相施密特觸發(fā)器進行A、B、Z三相信號的整形。解碼分離電路 光電編碼器辨向線路采用74HC74芯片。74HC74是一款高速CMOS器件，它是雙路D 型上升沿觸發(fā)器。引腳D是帶獨立數(shù)據(jù)輸入端，CP是時鐘輸入端，是直接復位端（低電平有效），是直接置位端（低電平有效），和是觸發(fā)器的互補輸出端。CPDLHHLHLLHLLHHHH

8、LHHLLHHHLH 代表高電平；L代表低電平； 代表輸入條件建立前的的電平； 代表輸入條件建立前的的電平； 代表電平由低到高的上升沿； 代表任意值；* 代表當和變?yōu)楦唠娖綍r，輸出不穩(wěn)定。下面是光電編碼器辨向電路在Multisim中的電路仿真。設(shè)定的輸入信號為1kHz，周期T=1/f=1/1000Hz=0.001s。相位差為90，即兩相輸出有一個延時0.00025s。當編碼器正轉(zhuǎn)時，A相輸出信號超出B相90時，如下設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)： A相脈沖 B相脈沖 兩相輸入和輸出波形如下：當編碼器反轉(zhuǎn)時，B相輸出信號超出A相90，如下設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)： A相脈沖 B相脈沖 兩相輸入和輸出波形如下：通過上述方法實現(xiàn)了A、B兩相信號的解碼分離。在Altium Designer中的實際電路如下：經(jīng)過一系列整形辨向后的兩組輸出信號接入LPC1764微處理器分析計算出旋轉(zhuǎn)角度。具體的實現(xiàn)方式是設(shè)置LPC1764的P2口的管腳為上升沿觸發(fā)外部中斷觸發(fā)方式， 可以完成脈沖信號計數(shù)功能。當編碼器正轉(zhuǎn)時，I/