光電編碼器范文
時間：2023-03-16 13:51:08
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中圖分類號：TB 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198(2011)04-0281-01
1、光電編碼器的分類概述
光電編碼器分為增量式和絕對式兩種類別。其中，增量式光電編碼器具有體積小、結構簡單、精度高、價格低、性能穩定、影響速度快等優點，因此，相比于絕對式光電編碼器具有更為廣泛的應用。在大量程角速度、大量程角位移和高分辨率的系統當中，增量式光電編碼器的優勢得到了更為充分的體現。這樣的裝置成本高、結構復雜。
2、光電編碼器的工作原理分析
2.1增量式光電編碼器工作原理分析
增量式光電編碼器是由主碼盤、光學系統、鑒向盤和光電變換器構成的，在主碼盤的周邊刻有相等節距的輻射狀窄縫，形成分布均勻的不透明區和透明區。當工作時，鑒向盤保持靜止，轉軸和主碼盤一同轉動，這時光源發出的光就投射于鑒向盤和主碼盤上，通過光敏原件的作用，將這種光信號轉變成為脈沖信號，通過對脈沖信號的處理，向數控系統輸出另一種脈沖信號，進而在數碼管上直接顯示出所測的位移量。
2.2絕對式光電編碼器工作原理分析
絕對式光電編碼器是將被測角度通過對編碼盤上圖案信息的讀取，直接轉化成為相應的代碼檢測元件。絕對式光電編碼器的編碼盤有接觸式、光電式和電磁式三種。光電元件通過接收不同碼盤位置所產生的光信號，將其轉化為相應的電信號，后經過整形放大，最終形成相應的數碼電信號。
3、光電編碼器測量小車速度
3.1光電編碼器測量小車速度的原理
光電編碼器是由一個紅外發射接受裝置和一個碼盤構成。當紅外光由發射器射出，射于黑色條紋上時，將被間斷地反射于接收器上，在接收器的輸入端會受到通輪子轉速為正比關系的光脈沖信號，進而在接收器的輸出端形成具有一定頻率的電信號。再利用微處理器對電脈沖進行計算，就可以得到小車的移動速度。其中小車行駛距離L的表達式為：L＝πD/n*nx公式中n為碼盤上黑白條紋的個數；D為驅動輪的外徑，nx為實際測量中電脈沖政府跳變的次數。小車的行駛速度V的計算表達式為V＝L/t，公式中，t表示時間。
3.2光電編碼器測量小車速度的操作
本案例中采用絕對編碼器是直接輸出數字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區相問組成，相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系，碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數，在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進制數。這種編碼器的特點是不要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。
首先，選用專門用于用于控制輪式機器人的Handy-board主板和內置光敏集成電路和紅外線發射管的P8557紅外傳感器。在驅動輪上貼32道黑白條紋的圓形碼盤，驅動輪軸和碼盤的圓心重合，在碼盤表面的2mm處進行紅外傳感器的固定，從而構成反射式增量編碼器；其次，執行四次LCD中斷程序和一次檢測程序。當心中斷的程序進行調入時，將TOC4圓心的矢量中斷入口地址轉嫁于新終端程序。在執行程序時，先執行中斷程序，后執行編碼器原中斷程序；最后，驅動程序采用中斷的插入方式，使用中斷始終TOC4執行計數。在中斷程序調入之后，先進行中斷程序的初始化，隨即插入編碼器相位的中斷程序。在執行主中斷程序時，先調試編碼器狀態，然后對編碼器進行取樣，將取樣的編碼器狀態存入于寄存器當中，再將寄存器調試到上一次的編碼器相位取樣狀態。最后，執行累加操作。對操作中的數據進行統計，將數據帶人小車行駛路程L的公式當中，求出L，后根據時間，直接帶人到小車行駛的速度V公式當中，進而用光電編碼器對小車速度的測量。
4、結 語
光電編碼器，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。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，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。用光電編碼器對小車的速度進行測量雖然能夠實現，但是受限于傳感器精度和小車自身的機械精度等因素的影響，測量結果存在一些誤差。因此，在進行小車速度的測量時，為減小誤差，應進行多次測量，取平均值，使得最后的結果更加趨近于正確值。
參考文獻：
[1]姜義，光電編碼器的原理與應用，機床電器，2010，(2)
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一、礦用轉角傳感器設計的總體方案
結合礦用環境的特殊性，并根據光學精密機械與物理研究所的單圈絕對式光電軸角編碼器研究的特點，給出礦用轉交傳感器設計總體結構。對于礦用轉角傳感器的信號采集部分，主要由主軸、軸承、基座組成，發光元件組成照明系統，由線陣CCD組成的信號接收系統。對于光電編碼器的光柵信號處理部分，信號前期處理電路主要包括信號采樣電路和濾波電路；信號處理部分主要包括CPLD（復雜可編程邏輯器件）和信號存儲單元（包括程序存儲器和數據存儲器）；信號輸出部分主要包括并行數據接口和串行數據接口。
二、單圈絕對式光電軸角編碼器數據采集系統的硬件結構設計
本文所研究的基于PCI總線的實時數據采集系統的主要功能模塊包括：ADS803E模數轉換模塊、CPLD（EPM7128SQC100
-15）系統邏輯控制模塊（或稱核心時序控制塊）、SRAM（AS7C256-15JC）靜態存儲器，PCI9052 PCI總線控制。采集系統會將采集到的數據自動存入卡上的靜態存儲器SRAM（AS7C256-15JC）中，等待采樣結束后，通過PCI總線接口芯片，PCI9052將采集的數據從SRAM傳輸到PCI總線上，所設計的控制邏輯均由復雜可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）來完成。其中A/D轉換芯片選用ADS803E，它是TI公司生產具有高信噪比（SFR=69dB）、低功耗（115Mw）的12位ADS803E，自帶32K大容量靜態緩存等優點的A/D轉換芯片。可以設置輸入范圍為2VP-P和5VP-P作為內置參考電壓，并有一個輸入電壓范圍溢出標志，采用數字誤差校正技術，用于尺寸測量、光譜測試與分析、圖像掃描和AD轉換數據采集等。靜態存儲器采用AS7C256-15JC，它是Alliance Semiconductor公司生產的，最大存儲訪問時間為15ns，每片的存儲容量為32K×8。在初始訪問后，CPU處于空閑、中斷或擴展模式，AS7C256處于節能狀態，可節能25%，并且可以通過CE和OE進行存儲擴展。系統邏輯控制模塊CPLD選用EPM7128SQC100-15芯片，它是Altera公司生產的。在線編程時，該芯片可以通過4個引腳的JTAG接口進行，以便簡化制作程。在本文所設計數據采集系統中，CPLD的主要功能包括：時序分頻器、SRAM控制邏輯、地址控制器等等。存儲器數據存儲的地址控制是由地址控制器完成的。數據由A/D端口寫入SRAM，地址控制器根據A/D頻率產生遞增的SRAM地址。
三、光電編碼器照明與接收系統設計
由于單圈絕對式光電軸角編碼器的接收元件有別于傳統的光電軸角編碼器，它是采用線陣CCD作為接收元件，根據上述原則采用了綠色發光二極管作為光源。其亮度可通過外接可調電阻來調節，同時能起到保護發光二極管組的作用，電路較為簡單。NEC公司生產的μPD3575D是一種高靈敏度、低暗電流、1024像元的內置采樣保持電路和放大電路的線陣CCD圖像傳感器，主要用于傳真、掃描和OCR。在它內部，包含了一列1024像元的光敏二極管以及兩列525位CCD電荷轉移寄存器。在5V驅動（脈沖）和12V電源條件下，該器件可工作。為了使CCD在光強強弱不同的情況下輸出信號，本文以復雜可編程邏輯器件CPLD為核心的一種新型的可提供多種驅動脈沖的驅動電路。MAX十PLUSⅡ開發環境下對μPD3575D的驅動電路進行設計。在MAX十PLUSⅡ環境下通過編譯、校驗后進行引腳鎖定。
四、信號采集系統
本文所采用的信號采集方法是通過CCD輸出的視頻信號采樣，量化編碼后再采集到計算機系統。然后經過A/D轉換模塊存入靜態存儲器SRAM，采樣結束后，通過PCI總線接口芯片，PCI9052將采集的數據從SRAM傳輸到PCI總線上，再通過計算機處理后給出最終結果。
五、數據處理系統設計
1．系統硬件電路設計。本設計采用C8051單片機，采用24LC01數據存儲器，及MAX232數據接口芯片共同組成數據采集處理單元，采用SJA1000CAN和驅動控制器PCA80C250作為通信系統。采用愛立信DC/DC電源模塊作為電源部分，將電源轉換成+5V工作電壓。
2．軟件設計。系統軟件設計主要實現方位角數據采集、數據處理、數據顯示和CAN通信的功能。在軟件設計中采用多級復位陷阱，較大地減小了死機的概率，從而提高了整個電路系統的抗干擾能力。該系統軟件功能主要包括數據發送模塊、數據顯示模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、異常處理模塊五部分。數據顯示模塊主要完成實時角度顯示，數據處理模塊主要完成糾錯功能，數據采集模塊主要完成二進制數據的編碼譯碼功能，數據發送模塊主要完成通過CAN總線的數據接收和發送，異常處理模塊主要完成系統出現異常后，整個系統可軟件復位。
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關鍵詞：AD2S83；旋轉變壓器反饋；光電編碼器反饋；位置閉環環
1 AD2S83芯片介紹
AD2S83利用比率跟蹤轉換方法將旋變格式輸入信號轉換為并行自然二進制數字字。這樣，當轉換器遠離旋變器放置時，可以確保具有高抗擾度，并且支持長引線。10、12、14或16位輸出字處于三態數字邏輯狀態，并通過16路輸出數據線以2字節形式提供。BYTE SELECT、ENABLE和引腳確保可輕松地將數據傳輸至8和16位數據總線，而提供的輸出則可通過外部計數器進行周期或俯仰計數。該器件還可以提供與速度成比例的模擬信號，可用于取代轉速傳感器；工作基準頻率范圍為50Hz至20，000Hz。
2 編碼器工作原理
2.1 編碼器輸出信號
通常情況下編碼器的輸出波形如圖2所示。當編碼器動作時將產生A、B兩栩脈沖信號。且A、B兩相信號的波形完全相同.僅是存在90°相位差。編碼器的運動方向分為正負兩個方向：正方向運動時，脈沖信號A的相位超前脈沖信號B的相位90°；負方向運動脈沖信號A的相位滯后脈沖信號B的相位90°。
2.2 鑒相及四倍頻計數原理
鑒相及四倍頻計數原理圖如圖3所示，在編碼器單方向運動過程中，每個周期A、B兩相信號總存在四次電平狀態的改變；并且A、B兩相電平狀態改變的順序總為：10一11一0l—00—lO；因此，在一個周期的信號中可根據A、B兩相的4種電平狀態的順序變化對位置脈沖進行細分計數及四倍頻計數；同時，根據A、B兩相電平的變化順序來判斷編碼器的運動方向；可得到四倍頻計數脈沖與方向脈沖如圖4所示。
3 旋轉反饋轉光電編碼器反饋的實現
3.1 總體方案
方案的總體框圖如圖4所示，采用分辨率可變的旋變數字轉換器AD2S83，作為旋轉變壓器信號的解碼器，可將模擬量的旋變信號轉換成1～15位的計數脈沖及方向信號。
AD2S83的分辨率可以選為10、12、14或16位，可以選擇各種應用的最優分辨率來使用AD2S83；如果AD2S83的分辨率選擇10位時，那么計數脈沖可依據需要選擇AD2S83的DB1～DB10其中任一輸出，DB1～DB10的輸出計數脈沖個數為2^0～2^（10-1），DB11～DB16無輸出；依次類推，當分辨率選擇16位時，計數脈沖可選擇AD2S83的DB1～DB16其中任一輸出，DB1～DB16的輸出計數脈沖個數為2^0～2^（16-1）。
AD2S83最大計數脈沖個數為32768（轉動一圈），相當于一個8192線的光電編碼器四倍頻后的脈沖個數，AD2S83分辨率、速率及計數脈沖對照表如表1所示；AD2S83解碼輸出的計數脈沖與方向信號，用來取代光電編碼器鑒相及四倍頻后得到的計數脈沖與方向脈沖。
3.2 硬件電路
該硬件電路框圖如圖5所示，電路中AD2S83使用的分辨率為14位，跟蹤轉速最高達65轉/秒（3，900 rpm）。
AD2S83的第2、4、7引腳分別接入單端的激磁信號、余弦信號、正弦信號，作為旋轉變壓器反饋的輸入信號；AD2S83經過解碼后，第41引腳VCO O/P信號，為輸入旋轉變壓器信號的實時速度模擬電壓（-8VDC～+8VDC）；第37引腳DIRECTION信號，為輸入旋轉變壓器信號的實時方向（0VDC或5VDC即代表輸入旋變信號逆轉或順轉），用來替代光電編碼器鑒相及四倍頻后的方向脈沖信號；第23引腳DB14信號，為輸入旋轉變壓器信號的實時速度脈沖信號（包含實時位置信息），用來替代光電編碼器鑒相及四倍頻后的計數脈沖信號。
3.3 實時編碼器反饋波形及速率計算
采用圖5硬件電路，作為高精度伺服驅動系統的反饋硬件電路，與伺服電機組成速度閉環控制系統后；在一固定的轉速下，用示波器分別監測圖5中的方向信號與計數脈沖信號，分別得到順轉時的方向信號及計數脈沖波形、逆轉時的方向信號及計數脈沖波形，如圖6、圖7所示。
圖6、圖7中，示波器1通道是計數脈沖信號；示波器2通道是方向信號，高電平為順轉，低電平為逆轉。用圖6中的方向信號及計數脈沖信號計算實時轉速，計算如下：
每一秒的脈沖個數：
4、旋轉反饋轉光電編碼器反饋的意義
旋轉反饋轉光電編碼器反饋，既具備了旋轉變壓器的優點，又具備了光電編碼器的優點；其特點如下：
耐振動沖擊能力強、抗干擾能力好，具有很高的可靠性；
抗污染能力強，能應用在各種惡劣環境中，具有防塵、防油、防敲擊等特點；
靈敏度高、穩定性好，響應速度快；
分辨率高，可根據設備的精度要求選擇不同分辨率。
鑒于旋變反饋轉光電編碼器反饋以上的特點；可應用于工作環境惡劣、高精度要求又高的伺服系統控制場合，比如應用于高精度及大中型數控系統、機器人控制、工業控制、轉臺控制、武器火力控制、雷達控制及慣性導航領域中。
5、 結束語
旋變反饋轉光電編碼器反饋，只不過是伺服控制系統反饋中一種方式；該種反饋方式，可以根據需要選擇分辨率，以滿足不同控制精度的需求；而且用該種反饋方式，作為伺服驅動器的反饋部分，在速度閉環、位置閉環后，能夠極大的提高伺服驅動器的控制精度；實際使用該種反饋方式的位置閉環伺服驅動器已經在轉臺控制、工業控制領域得到了應用。
參考文獻
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關鍵詞:數控機床 脈沖編碼器 精度檢測裝置
1 引言
數控機床的定位精度和加工精度在很大的程度上取決于檢測裝置的精度。它的作用是檢測位移量, 是將系統發出的指令信號位置與實際反饋位置相比較,用其差值去控制進給電動機。在數控伺服系統中,通常有兩種反饋系統:一種是速度反饋系統,用來測量和控制運動部件的進給速度;另一種是位置反饋系統,用來測量和控制運動部件的位移量。而實際反饋位置的采集,則是由位置檢測裝置來完成的。這些檢測裝置有脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵、接近開關等。
2 精度檢測裝置原理簡述
檢測裝置種類較多,現以絕對式脈沖編碼器的接觸式四位絕對編碼盤為例,簡述其工作原理。圖a是絕對式光電編碼器的結構圖。圖b是一個四位二進制編碼盤,涂黑部分是導電的,其余是絕緣的,碼盤上有四條碼道。四個碼道并排裝有四個電刷,電刷經電阻接到電源正極。碼盤最里面的一圈是電源負極。
四位二進制編碼盤
由于制造精度和安裝質量或工作過程中意外因素,易于引起閱讀錯誤。為此絕對式光電編碼盤大多采用格雷碼編碼盤,圖c為4位格雷碼盤。其特點是任何兩個相鄰數碼間只有一位是變化的, 這樣即使制作和安裝不太準確,產生的誤差最多也只是最低位的一位數。還可消除非單值性誤差。
3 精度檢測裝置
3.1脈沖編碼器檢測裝置
脈沖編碼器,是一種旋轉式脈沖發生器,能把機械轉角變成電脈沖。是數控機床上使用最多的角位移檢測傳感器。編碼器除了可以測量角位移外,還可以通過測量光電脈沖的頻率。經過變換電路也可用于速度檢測,同時作為速度檢測裝置。
脈沖編碼器可分為光電式、接觸式和電磁感應式三種。從精度和可靠性來看,光電式較好,光電式脈沖編碼器可以用于角度檢測,也可用于速度檢測。所以在數控機床上通常使用光電式脈沖編碼器。
(1) 光電式脈沖編碼器
光電式脈沖編碼器可分為增量式脈沖編碼器和絕對式脈沖編碼器。
光電脈沖編碼器是按它每轉發出的脈沖數的多少來分,有幾種型號,數控機床最常用的脈沖編碼器有2000脈沖/r,每轉脈沖位移量/mm有2,3,4,5,8;2500脈沖/r;每轉脈沖位移量/mm有5,10;3000脈沖/r,每轉脈沖位移量/mm3,6,12。
增量式脈沖編碼器由光源、光敏元件、透光狹縫、碼盤基片、光板、透明鏡、A/D轉換線路及數字顯示裝置組成。絕對式光電編碼器是一種直接編碼式的測量元件,通過讀取編碼盤上的圖案確定軸的位置沒有積累誤差。
(2) 混合式絕對值編碼器
混合式絕對值編碼器是把增量制碼與絕對制碼同做在一碼盤上。圓盤的最外圈是高密度的增量制條紋, 其中間分布在4圈圓環上有4個二進制位循環碼,每1/4圓由4位二進制循環碼分割成16個等分位置。在圓盤最里圈仍有發一轉信號的窄縫條。由循環碼讀出的4×16個位置/轉,代表了一圈的粗計角度檢測,它和交流伺服電機4對磁極的結構相對應,可實現對交流伺服電機的磁場位置進行有效的控制。
3.2其它檢測裝置
旋轉變壓器,是一種控制用的微電動機,將機械轉角變換成與該轉角呈某一函數關系的電信號,工作原理和普通變壓器基本相似。結構簡單, 抗干擾能力強,工作可靠,動作靈敏,對環境沒有特殊要求,一般用于精度要求不高機床的粗測及中測系統。
感應同步器和旋轉變壓器均為電磁式檢測裝置,二者工作原理相同,其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。主要部件包括定尺和滑尺,定尺和滑尺分別安裝在機床床身和移動部件上。感應同步器分成直線式和旋轉式兩大類,分別用于長度測量和角度測量。
光柵主要由標尺光柵和光柵讀數頭兩部分組成,光柵傳感器測量精度高、動態測量范圍廣、可進行無接觸測量、易實現系統的自動化和數字化。
接近開關類型有電感式、電容式、霍爾式、光電式、干簧管式等多種形式。它具有體積小、無抖動、無觸頭、無接觸檢測等特點。
數控機床精度檢測裝置通常有模擬式和數字式,數字式檢測裝置能夠直接將非電量轉換為數字量,不需要A/D轉換,直接用數字顯示。數字式檢測裝置與模擬式檢測裝置相比優點有測量精度和分辨率高,穩定性好,抗干擾能力強,便于與微機接口,適宜遠距離傳輸等。數字式檢測裝置可以測量線位移,也可以測量角位移,常用的數字位置檢測裝置有編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵等。
4 結語
綜上所述,位置精度檢測裝置非常重要,它是數控機床伺服系統的重要組成部分,其作用是檢測位移和速度,發送反饋信號,構成閉環或半閉環控制環節。檢測系統決定了數控機床的加工精度。了解數控機床位置檢測元件的工作原理,掌握了數控機床的位置測量裝置的作用與特點,就能正確選用位置檢測元件,從而保證數控機床的加工精度。
參考文獻:
[1] 劉祖其主編.機床電氣控制與PLC[M].北京:高等教育出版社,2009.3.
[2] 廖兆榮主編.數控機床電氣控制[M].北京:高等教育出版社,2005.1.
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【關鍵詞】步進電機；步距角；閉環控制；脈沖信號
1.應用背景
在超聲波清洗機的工作過程中，為了提高工作效率，減輕工人工作負荷，實現清洗過程自動化，設計了該直線運動定位系統。該系統可以實現沿直線方向的往復運動，運動過程中任意時刻，可改變運動方向及運動速度，亦可快速定位到運動范圍內的特定位置。
2.硬件及結構組成
該系統硬件組成主要包括：單片機、步進電機驅動器、步進電機、光電編碼器、位置傳感器、柔性聯軸器、滾珠絲杠組件、直線滑軌組件、執行器連接器。
如圖1所示，其中：1.步進電機，2.光電編碼器，3.位置傳感器，4.柔性聯軸器，5.滾珠絲杠組件，6.直線滑軌組件，7.執行器連接器。
3.控制方法及工作流程
3.1步進電機控制
選用兩項四線混合步進電機，步進電機的步距角為1.8°。步進電機旋轉一周所需的脈沖數為：n=360°/1.8°=200。步進電機控制信號由單片機根據不同的轉速要求發出相應頻率的脈沖給步進電機驅動器，步進的及驅動器根據脈沖的頻率驅動電機。電機旋轉的同時帶動光電編碼器同步旋轉，光電編碼器發出的信號反饋給步進電機驅動器完成整個閉環控制。步進電機驅動器通過光電編碼器反饋信號與自身發出的脈沖信號對比，可及時發現步進電機的過沖、丟步等運行錯誤并自動完成修正。
3.2執行器連接器位置標定
為實現定位至運動范圍內的特定位置的功能，需要沿導軌方向在運動范圍內為步進電機建立一維坐標系，并為執行器連接器所在的位置標定對應的坐標。標定方法如下：
將執行器連接器向起始位置移動，當起始位置傳感器發出信號后，步進電機停止轉動。該位置記為起始位置，編碼為0。將執行器連接器向終止位置移動，當終止位置傳感器發出信號后，步進電機停止轉動。該位置記為終止位置，編碼為光電編碼器從起始位置到終止位置記錄的編碼數，記為N0。使用1000線光電編碼器，則從起始位置運動至距離起始位置1（單位：mm）對應的步進電機脈沖數為：
3.3直線運動系統工作流程
4.總結
通過使用位置傳感器和光電編碼器實現了執行器連接器運動邊界標定，執行器連接器精確定位。在直線滑軌保證直線運動方向精度的基礎上，使用滾珠絲杠和步進電機及光電編碼器組成的閉環控制系統實現了執行器連接器的高精度移動。此直線運動定位系統不受運動范圍限制，運動范圍改變僅需對系統坐標系重新標定；在橫向和縱向分別布置，亦可實現二維空間的精確定位及移動。 [科]
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關鍵詞：
1.轉動天線角度測量方式演變
831臺在用的1號和2號ZT-1型轉動天線，是我國自行試制的第一副大功率、高增益、寬頻段、多方位短波同相水平轉動天線。
天線角度取樣初期是采用與轉動天線中心支柱同步聯動大齒輪帶動固定位置的轉換機構再帶動光電碼盤方式來實現。光電碼盤編碼方式采用BCD碼（如表1），其上同軸開十圈透光孔，光源通過透光孔對光敏電阻進行照射采樣，信號經邏輯判斷后送至個、十、百位0-9十層數碼管顯示相應數字，從而準確指示位置信息。
此方式在使用中由于機械磨損造成轉動天線中心支柱偏心，打壞的大齒輪跳齒，致使天線實際位置與指示位置不一致；再加上取樣用的光電碼盤產品落后，體積較大，光源不穩定，經常出現漏碼，造成天線定位精度低。
經改造后將原采樣結構改為彈性隨動取樣結構，克服天線中心偏心問題，將原光電碼盤改為KOYO公司的TRD-NA系列絕對值型旋轉編碼器。它屬于一種超小型、高速響應、采用金屬光柵、輸出為無讀取誤差的格雷碼編碼器。絕對值型編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16 線......編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的亮、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器，這樣的編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼；抗干擾能力強，沒用累積誤差，體積小；電源切斷后位置信息不會丟失，它不受停電、干擾的影響。
2.格雷碼（又叫循環二進制碼或反射二進制碼）介紹
格雷碼(Gray Code)是一種絕對編碼方式，對應旋轉角度以格雷碼形式并行輸出絕對位置值。格雷二進制碼是為了彌補二進制碼的缺陷而產生的代碼。因為在二進制碼中當從某一個數到下一個數變化時，可能同時有2個以上的數據位發生變化，例如從十進制的3轉換為4時二進制碼的每一位都要變，使數字電路產生很大的尖峰電流脈沖，由于對各位讀取的時序上的差異，可能造成讀出錯誤。為了解決此問題，設計一種代碼，使其在從任一數到下一數變化時，只有一個數據位變化，以避免讀取錯誤，這樣的代碼即格雷二進制碼，是一種錯誤最小化的編碼方式。而且無需計數器，它大大地減少了由一個狀態到下一個狀態時邏輯的混淆。另外由于最大數與最小數之間也僅一個數不同，故通常又叫格雷反射碼或循環碼。下面以四位代碼為例，由格雷碼與二進制碼的對照表導出兩種代碼相互轉換的邏輯表達式（如表1）：
表1
十進制數
BCD碼
自然二進制數
格雷碼
十進制數
BCD碼
自然二進制數
格雷碼
0000
0000
0000
8
1000
1000
1100
1
0001
0001
0001
9
1001
1001
1101
2
0010
0010
0011
10
1010
1111
3
0011
0011
0010
11
1011
1110
4
0100
0100
0110
12
1100
1010
5
0101
0101
0111
13
1101
1011
6
0110
0110
0101
14
1110
1001
7
0111
0111
0100
15
1111
1000
格雷碼轉換成自然二進制碼,其法則是保留格雷碼的最高位作為自然二進制碼的最高位，而次高位自然二進制碼為高位自然二進制碼與次高位格雷碼相異或，而自然二進制碼的其余各位與次高位自然二進制碼的求法相類似。
某二進制格雷碼為 Gn-1 Gn-2...G2 G1 G0
其對應的自然二進制碼為 Bn-1 Bn-2...B2 B1 B0
其中：最高位保留--- Bn-1 =Gn-1
其他各位--- Bi-1 =Gi-1異或Bi i=1,2...，n-1
3.天線角度的測量
篇7
關鍵詞：數控車床 主軸編碼器 數控故障
一、主軸編碼器的作用和工作原理
主軸編碼器采用與主軸同步的光電脈沖發生器，通過中間軸上的齒輪1∶1地同步傳動。數控車床的車螺紋加工時，為了滿足切削螺距的需要，要求主軸每轉一周，刀具準確地移動一個螺距（導程）。系統通過主軸編碼器的反饋脈沖信號實現主軸旋轉與進給軸的插補功能，完成主軸位置脈沖的計數與進給同步控制。此外，主軸編碼器還可實現恒線速度切削控制。
光電脈沖發生器的原理如圖1所示。在漏光盤上，沿圓周刻有兩圈條紋，外圈為圓周等分線條，例如：1024條，作為發送脈沖用，內圈僅1條。在光欄上，刻有透光條紋A、B、C，A與B之間的距離應保證當條紋A與漏光盤上任一條紋重合時，條紋B應與漏光盤上另一條紋的重合度錯位1/4周期。在光欄的每一條紋的后面均安置光敏三極管一只，構成一條輸出通道。
圖1 光電脈沖發生器的原理圖
燈泡發出的散射光線經過聚光鏡聚光后成為平行光線，當漏光盤與主軸同步旋轉時，由于漏光盤上的條紋與光欄上的條紋出現重合和錯位，使光敏管受到光線亮、暗的變化，引起光敏管內電流大小發生變化，變化的信號電流經整流放大電路輸出矩形脈沖。由于條紋A與漏光盤條紋重合時，條紋B與另一條紋錯位1/4周期，因此 A、B兩通道輸出的波形相位也相差1/4周期。
脈沖發生器中漏光盤內圈的一條刻線與光欄上條紋C重合時輸出的脈沖為同步（起步，又稱零位）脈沖。利用同步脈沖，數控車床可實現加工控制，也可作為主軸準停裝置的準停信號。數控車床車螺紋時，利用同步脈沖作為車刀進刀點和退刀點的控制信號，以保證車削螺紋不會亂扣。
主軸編碼器一般與主軸采用1∶1齒輪傳動且采用同步帶連接，編碼器為1024脈沖／轉，經過系統4倍頻電路得到4096個脈沖。其信號及連接如圖2所示。
二、主軸編碼器常見故障及處理
1.不執行螺紋加工的故障及處理
系統工作原理：數控車床螺紋加工的工作原理是主軸旋轉與Z軸進給之間的插補。當執行螺紋加工指令時，系統得到主軸位置檢測裝置發出的一轉信號后開始進行螺紋加工，根據主軸的位置反饋脈沖進行Z軸的插補控制，即主軸轉一周，Z軸進給一個螺距或一個導程。
圖2 主軸位置編碼器信號及接線
產生故障的原因：
（1）主軸編碼器與系統之間的連接不良。
（2）主軸編碼器的位置信號PA、＊PA、PB、＊PB不良或連接電纜斷開。
（3）主軸編碼器的一轉信號PZ、＊Z不良或連接電纜斷開。
（4）系統或主軸放大器故障。
故障處理：對于故障產生原因（1），可通過檢查連接電纜接口及電纜的校線查到故障并修復。對于故障產生原因（2），可通過系統顯示裝置上是否有主軸速度顯示來判別，如查無主軸速度顯示則為該類故障。對于故障產生原因（3），可通過加工指令G99（每轉進給加工）和G98（每分進給加工）切換來判別，如果G98進給切削正常而G99進給不執行，則為該類故障。如果以上故障都排除，則為系統本身故障，即系統存儲板或主板故障。
2.加工時出現“亂扣”的故障及處理
系統工作原理：一般的螺紋加工要經過幾次切削才能完成，每次重復切削時，開始進刀的位置必須相同。為了保證重復切削不亂扣，數控系統在接收主軸編碼器中的一轉信號后才開始螺紋切削的計算。
產生故障原因及處理：當系統得到的一轉信號不穩時，就會出現“亂扣”現象。產生故障的原因是主軸編碼器的連接不良、主軸編碼器的一轉信號或信號電纜不良、主軸編碼器內部有臟東西或編碼器本身不良。如果以上故障排除后系統還亂扣，則需要檢查系統或主軸放大器。
3.螺紋加工出現螺距不穩故障及處理
系統工作原理：數控車床螺紋加工時，主軸旋轉與Z軸進給時進行插補控制，即主軸轉一周，Z軸進給一個螺距或一個導程。
產生故障原因如下。
（1）如果產生螺距誤差是隨機的：產生故障的可能原因是主軸編碼器連接不良、主軸編碼器內部太臟、Z軸位置編碼器不良、Z軸電動機與Z軸連接松動。
篇8
【關鍵詞】STM32;步進電機;細分驅動
1.引言
隨著我國經濟的快速發展，體育娛樂賽事中的直升飛機以及私人飛機的需求量不斷擴大。目前，我國正在試點開放部分區域進行低空飛行。但是，按照我國現有的城市管理水平和設施情況來說，開放低空飛行必將面臨不少困難。保障飛行安全做好低空飛行預警是開放低空飛行的首要的技術瓶頸。低空預警雷達的有效使用實現了低空飛行預警，為低空領域的開放起到了一定的技術支持作用。但低空預警雷達仍具有局限性，不能提供直觀的圖像信息。
光電技術的快速發展，使得機（車、船）載光電監視跟蹤系統廣泛應用于制導、偵查、火控、光電對抗以及體育、消防、環境監控、公共安全等領域。光電監視跟蹤系統能夠提供直觀、清晰的圖像信息，有效的彌補了低空預警雷達的不足之處。
光電監視跟蹤系統配合雷達使用，為監管部門提供空中目標的方位、距離、高度等情報信息，利用可見光攝像機和紅外熱像儀傳感器組合，對需要進行監控的區域進行全天時視頻探測與監視。本文主要是對低空預警光電監控跟蹤系統中的伺服控制子系統進行研究。
2.總體方案設計
2.1 控制方案
光電監視跟蹤系統根據雷達探測到目標的位置信息，算出方位電機和俯仰電機的角度值，然后轉換成脈沖數。通過對脈沖的控制進而控制方位軸和俯仰軸的運動，達到實時跟蹤。光電監測跟蹤系統的總體框圖如圖1所示。
圖1光電監視跟蹤系統總體框圖
上位PC機把經圖像處理得出的坐標偏差通過串口協議下載給運動控制器，運動控制器經過計算得到偏差角數據，并發出相應的方向脈沖和pwm控制脈沖信號給二維轉臺的步進電機驅動器，直接調整兩個電機的轉向和轉速。由光電編碼器實現系統的閉環控制，提高控制精度。二維轉臺原理框圖如圖2所示。
圖2 二維轉臺原理框圖
2.2 結構方案
轉臺結構主要有敞開式U型、封閉式0型和T型。U型和T型結構對稱性差、結構剛度小、結構較復雜、體積大，常用于低速擺動工況，一般用于中框架和外框架。0型結構對稱性好、結構剛度大，結構簡單，體積小，常用于高速整圈旋轉，一般用于中框架和內框架。
本系統的結構方案擬采用O型框架作為方位軸框架，U型框架作為俯仰軸框架。圖3為轉臺結構圖。
圖3 轉臺結構圖
3.硬件系統設計
系統硬件平臺是完成運動目標自動跟蹤的重要保證，根據需要擬設計一套硬件平臺：采用STM32F103RBT6作為轉臺控制系統主要的硬件處理器，以及轉臺步進電機及其驅動器，光電編碼器，光電耦合器等。基于STM32F103RBT6的轉臺控制功能模塊如圖4所示。
圖4 基于STM32F10X的轉臺控制功能模塊
3.1 STM32F103RBT6控制器
STM32F103RBT6擁有的資源包括128KB FLASH、20KB SRAM、2個SPI、3個串口、一個USB、1個CAN、2個12位的ADC（16通道）、RTC、DMA、4個16位定時器、51個可用的I/O腳等。步進電機通過脈沖和方向的方式進行控制，而STM32F103RBT6的定時器都可以用來產生PWM輸出，STM32F103RBT6最多可以同時產生30路PWM輸出，完全可以脈沖步進電機的需求。
3.2 步進電機及驅動器
步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或直線運動的執行機構，當步進電機驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度即步距角。利用STM32F103RBT6產生PWM脈沖信號和方向信號來控制驅動器，進而控制步進電機，并通過改變PWM脈沖信號頻率實現步進電機的變速控制過程。通過軟件控制PWM脈沖串的疏密來控制運動過程中的加減速，加密脈沖串可實現加速過程，稀疏脈沖串可實現減少過程。步進電機采用細分驅動技術，細分步距角，提高定位精度。
本系統方位電機和俯仰電機均使用57HS09型兩相混合式步進電機，步進電機的步距角為1.8°。為提高轉臺轉速穩定性所采用的具有細分功能的兩相混合式步進電機驅動是DM442，最大細分數為25600步數/轉。控制器，步進電機及驅動器的連線圖如圖5所示。
3.3 光電編碼器
光電編碼器，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。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。在選擇光電編碼器時，要考慮被測元件的精度，要使它能與被測元件的精度相匹配，一般編碼器的精度要高于被測元件的精度。
圖5 連線圖
4.軟件系統設計
性能要求、完整、可靠的硬件系統設計是整體設計的前提條件，完善有效的軟件設計才能發揮硬件資源的潛力，最終實現系統的功能要求。
主程序是控制系統的核心部分，主要完成系統的初始化（I/O口、串行通信接口、定時器等的初始化），計數器周期寄存器初值的計算，各標志位的置位與復位，接收光電編碼器信號，中斷配置，系統自檢等功能。主程序完成初始化后，進入循環等待中斷。中斷程序完成對上位機下傳數據的接收，并根據相應的算法將接收數據轉化成方向脈沖和PWM控制脈沖。主程序控制流程如圖6所示。
圖6 主程序控制流程圖
5.結論
通過實驗室驗證可知，基于STM32的伺服控制系統能夠實現，達到實驗要求，為樣機設計提供了一定的理論和實驗基礎。
參考文獻
[1]史偉會.太陽自動跟蹤系統研究[D].上海：東華大學，2011.
[2]張春光.太陽能電池板二維自動跟蹤系統的研究[D].山西：太原科技大學，2013.
[3]胖瑩.基于STM32的太陽跟蹤控制系統的設計與研究[D].河北：燕山大學，2012.
篇9
【關鍵詞】雷達伺服系統；C8051F020；步進電機
0 引言
雷達伺服控制系統用來控制天線動作，搜索各個方位的目標，實現天線的自動控制的系統。控制系統是由機械傳動部分和驅動控制電路組成。系統的結構組成和其它的反饋系統沒有本質上的區別，它是由若干元件和部件組成的具有功率放大電路的一種自動控制系統。
該系統實現控制雷達天線的正轉、反轉、步進、停止，實現人機對話，還要考慮到功耗低、體積小、便于攜帶的特點，在使用時應該具有高可靠性、傳輸誤碼率小，同時還要還要具有開機測試、電池電壓采樣，欠壓報警等輔助功能。本文是基于C8051F020單片機的設計，結合實際要求，將具體介紹該系統的硬件電路原理及軟件系統構建。
1 系統整體方案設計
本方案是為了實現對雷達天線的中心角度調整以及在方位上的掃描速度和掃描范圍的控制，采用準閉環控制系統，控制步進電機接受控制脈沖一步一步地旋轉，防止出現積累誤差。此方案采用Silabs公司開發的C8051F020單片機作為主控制器，NS公司推出的LMD18245作為步進電機驅動器，當單片機接收到終端命令時，控制步進電機進行相應的動作，系統中光電編碼器與步進電機同軸，光電編碼器將步進電機的動作反饋回單片機，從而實現對雷達天線的閉環控制。該系統通過RS232A串口進行通信和調試。系統總框圖（圖1）如下：
2 硬件電路設計
硬件電路主要包括主控C8051F020和驅動器LMD16245構成的控制電機電路、編碼器讀數經過整形電路回饋給主控的反饋電路、主控和串口芯片構成的通信和測試電路、電池電壓采樣電路及欠壓報警電路。
主控單片機C8051F020是一款真正獨立工作的片上系統，將C8051F020用于嵌入式控制系統，可大量減少器件，充分發揮C8051F020的高速度特點，大大提高了系統的集成度。內部包含數字電路和模擬電路，在設計時應該將模擬電源和數字電源分別連接，最后要通過磁珠（或電感）連接在一起；由于步進電機功率驅動電路工作在較大脈沖電流狀態，電路中采用光電耦合器將主控單片機與步進電機隔離，這樣可以避免單片機與步進電機功率回路的共地干擾。單片機控制信號LVTTL和光電編碼器與控制電機之間的和TTL電平之間用74LV4245進行電平轉換。原理圖模塊設計如下介紹：
2.1 光電隔離
采用光耦集成電路TLP521實現隔離，不需要復雜的設計，就能達到防止干擾的目的。由于光耦的輸入端電流較大，直接使用CPU的引腳驅動會對CPU產生較大的電流沖擊，所以先用74LVX4245進行驅動，然后控制光耦工作。
2.2 電平轉換
CPU及電路用3.3V供電，CPU引腳直接輸出的是LVTTL電平，為了與外部TTL電平兼容，并且提高驅動能力與減少干擾，采用集成電路74LVX4245實現電平轉換。
2.3 驅動電路
驅動電路采用集成電路LMD18245，最大輸出電流3A，內部含16細分電路，也可以外接電路再細分，電路簡單。細分功能完全是由驅動器靠精確控制電機的相電流所產生的，與電機無關。
2.4 電源轉換電路（DC/DC）
驅動部分電路容易受到干擾，與CPU部分的供電電源分開，利用2個DC/DC集成電路產生2路5V電壓，一路提供給光電編碼器，并經變換提供給CPU，另一路提供給光藕和驅動電路的邏輯電平。
2.5 JTAG
片內JTAG接口可直接對對安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、實時在系統仿真調試。該調試系統支持觀察和修改存儲器及寄存器，支持斷點、單步、運行和停止命令。在使用JTAG調試時，所有模擬和數字外設都可全功能運行。
3 軟件部分設計
本系統采用角度與速度準雙閉環控制。角度反饋是伺服的主反饋回路，時實角度由光電編碼器采集得到；速度反饋是一個局部反饋回路，前次的速度值只是軟件的記憶值，外部沒有速度傳感器，所以在本文中稱為準雙閉環控制。在任何時刻當角度與速度發生變化時，系統都必須響應，速度值的控制由軟件設置中斷周期來完成，編寫程序時，特別注意中斷、存儲器、運算符號位的管理，提高系統的可靠性。主流程圖如圖2所示。
4 結論
本文提出的基于C8051F020的雷達伺服控制系統在雷達整機樣機中調試通過，并能夠正常的工作。使用細分驅動器更加精確的控制了步進電機的相電流，大大的改善了電機的振動和噪音，消除了電機的低頻振蕩，提高了電機的輸出轉矩。單片機C8051F020本身就是低功耗設計，還可以通過改變系統時鐘、復位源及片上外設等狀態來節省功耗。
【參考文獻】
[1]http：//.cn＼datasheets＼C8051F02x.pdf[OL].
[2]http：//＼LMD18245.pdf[OL].
篇10
關鍵詞 步進電動機 數字侍服系統 光電編碼器
中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A
The Design of Stepper Motor Digital Servo Control System
PAI Zhongmei
(Jiangsu Wuxi Technician School, Wuxi, Jiangsu 214000)
Abstract The stepper motor has simple structure, and speed control is relatively easy to implement, with high precision, can achieve high-precision open-loop positioning control. The control circuit of this operation mode is simple economic, do not need to position detection components, is a practical digital servo feed system, as long as the static and dynamic performance to meet the requirements, should first consider using this system. But in large load or high-speed, this system may be out of step or lack of precision, this paper introduces two digital servo systems which can solve these problems.
Key words stepper motor; digital servo system; optical encoder
1 反饋補償式步進電動機進給數字侍服控制系統
步進電動機的轉動能跟隨每一個指令脈沖，在運行結束時所走的總行程正好等于輸出脈沖的個數乘以步距。然而，由于開環控制沒有位置反饋檢測，導致無法知道是否丟失了脈沖；另外，電動機的響應速度受負載大小的影響，所以，步進電動機的開環控制性能受到了一些限制。由于上述原因，近年來出現了反饋補償式步進電動機侍服系統。這種系統基本上解決了步進電動機丟失脈沖的問題，圖1所示是反饋補償式步進電動機進給侍服系統的結構框圖。步進電機將所給的電脈沖信號轉變成角位移或線位移，而環形分配器則按規定的方式將電脈沖信號分配給步進電機的各相勵磁繞組，使各相勵磁繞組在電脈沖信號的控制下工作。脈沖功率放大器能實現電機的功率驅動、電流控制及多種保護功能。該電路與開環系統不同的是，這里在步進電機的軸上安裝了脈沖編碼器，脈沖編碼器將步進電動機的轉動轉換成脈沖輸出，輸出脈沖被送到反饋處理電路中。指令脈沖和反饋脈沖均送入補償控制器中進行比較，補償控制器根據指令脈沖和反饋脈沖之差向后面的環形脈沖分配器發出脈沖，以驅動步進電動機運轉。補償控制器是整個系統的核心。這里需要指出的是反饋處理電路有兩個作用：
（1）由于脈沖編碼器每轉一周輸出的脈沖個數與步進電動機每轉一周所走過的步數不一定一樣，所以需要反饋處理電路起適配的作用。
（2）反饋處理電路應當將脈沖編碼器的輸出脈沖轉換成正、反轉反饋計數脈沖。與反饋脈沖一樣，指令脈沖也有正轉和反轉兩個通道。
圖1 反饋補償式步進電動機進給數字侍服控制系統
2 帶光電編碼盤的直流伺服速度控制系統
圖2是傳統的直流伺服速度控制系統，該系統的缺點是：當步進電動機運轉一段時間以后，隨著工作時間加長電動機的溫度會不斷的上升，而反饋元器件――測速發電動機，與步進電動機同軸連接，導致測速電動機溫度也會隨之上升。測速發電機的轉子線圈切割磁力線產生電動勢，其值為
=
式中 ――測速發電機的輸出電動勢
――電勢系數
圖2 傳統直流伺服速度控制系統原理框圖
圖3 采用光電編碼器的直流伺服速度控制系統原理框圖
在通常情況下，是個常數，測速電動機所產生的電動勢與轉速。成正比。實際工作中，電動機工作后溫度會有所上升，也會隨之發生變化，一般情況是下降的。由于變小，所以也隨之變小。但此時電動機轉速卻并沒有下降，通過轉換，反饋到速度環的電壓會上升，使電動機的轉速上升，通過公式 = 可知，電動勢會隨之上升，從而達到維持不變。可是，給定值不變但電機的實際轉速在慢慢上升，這勢必引起電動機轉速誤差的增大。我們根據實際的測量，一般來說電動機溫度每上升100℃，電動機轉速的誤差就會相應的增大1%~3%。所以該系統雖能滿足控制精度較低的產品的需求，但對于控制精度要求高的場合就不適用了。
為了提高電動機的控制精度，這里在電路中增加光電編碼器，它與電動機同軸安裝，可以輸出與電機轉速成正比的輸出的脈沖信號頻率，該脈沖頻率通過F/V（頻壓）轉換為反映轉速高低的模擬信號。模擬信號與給定的信號比較，就可以準確測出電動機的轉速（如圖3）。
步進電機是一種離散運動控制裝置，通過以上兩種方法，可以步進電機的控制精度，使其更加適應數字伺服系統的發展。
參考文獻
[1] 賀昱曜.運動控制系統.西安電子科技大學出版社.
