旋轉(zhuǎn)編碼器抗抖動信號處理電路及其角度測量應(yīng)用

鄒華東，謝發(fā)忠，陳小林

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院，安徽 六安 237011)

0 引言

角度的精確控制和測量在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中具有較為廣泛的需求，最早的多尺分度盤為代表的機(jī)械式角度計量方法通常只是適用于低速和較為粗糙的場合，主要由人工完成，但是隨著生產(chǎn)的精密化、高速化和電子信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，這些工作已經(jīng)由角度傳感器件、相關(guān)信號處理電路再配合相應(yīng)的主控器來完成[1]。

機(jī)械式測角技術(shù)和電磁式測角技術(shù)是測角技術(shù)中研究最早的測角技術(shù)，隨著光學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)測角技術(shù)以極高的測量精度受到重視，應(yīng)用越來越廣泛。旋轉(zhuǎn)光電編碼器是一種將角位移轉(zhuǎn)換成脈沖信號的傳感器，它具有體積小，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，信號數(shù)字化等優(yōu)點，作為光學(xué)測角法的一種常用傳感器件，在數(shù)控機(jī)床測速和定位、機(jī)器人位置檢測等方面有著廣泛的應(yīng)用[2-4]。

2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的帆板控制系統(tǒng)，帆板的角度需要通過風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，為了準(zhǔn)確確定位帆板角度，需要對帆板實際角度進(jìn)行測量并反饋給控制系統(tǒng)，同時由于帆板實際位置總是處于一種動態(tài)的平衡位置，采用旋轉(zhuǎn)光電編碼器進(jìn)行測量時，需要不受編碼器輸出信號中高頻尖脈沖的影響，進(jìn)行信號抗抖動處理，準(zhǔn)確測得實際角度以進(jìn)行閉環(huán)控制。本文的抗抖動處理電路正是出于這一應(yīng)用目的而開發(fā)。

1 角度測量與控制系統(tǒng)

圖1為帆板控制系統(tǒng)。由鍵盤按鍵輸入帆板預(yù)定達(dá)到的角度，通過對風(fēng)扇電機(jī)的速度控制來調(diào)整風(fēng)力，系統(tǒng)對帆板的傾斜轉(zhuǎn)角實時測量并顯示，一旦帆板位置到達(dá)設(shè)定傾角的誤差范圍內(nèi)(5°)，風(fēng)扇電機(jī)的速度就維持不變。

系統(tǒng)角度測量要求的分辨力為2°，帆板的擺動范圍為0°～60°，所以采用200線的歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6A2-CW5C增量式編碼器，在沒有細(xì)分的情況下編碼器的分辨力為1.8°；該編碼器為NPN 型集電極開路輸出的編碼器，需在信號輸出端接一上拉電阻到電源正極。

在進(jìn)行單方向運動的測量時，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號為相差90°的兩路正交的輸出信號，為了防止后端信號的干擾，采用光耦進(jìn)行電路隔離，可以通光耦后端信號經(jīng)過由D觸發(fā)器和兩路與非門構(gòu)成的辨向電路處理后，分兩路分別輸出正向脈沖P+和反向脈沖P-，該脈沖分別通過單片機(jī)ATM89C51的T0、T1兩個計數(shù)端口進(jìn)行計數(shù)，帆板實際角位移為(T0-T1)1.8°，獲得的角度信息由單片機(jī)控制LCD1602進(jìn)行實時顯示。

圖1 帆板控制系統(tǒng) 圖2 編碼器信號處理電路

風(fēng)扇的控制電機(jī)為直流電機(jī)，其風(fēng)速控制通過脈寬調(diào)制來實現(xiàn)，當(dāng)測量的角位移與實際設(shè)定值的差值超過允許誤差范圍時，由主控單片機(jī)1通過P2.0 、P2.1端口通知直流電機(jī)控制專用單片機(jī)2，如果小于設(shè)置值，逐級增加直流電機(jī)控制信號的占空比，如果大于設(shè)置值，逐級減少，直到到達(dá)預(yù)定位置， 到達(dá)指定位置時，通過握手信號線P2.2通知直流電機(jī)保持當(dāng)前控制風(fēng)機(jī)的占空比，同時由單片機(jī)2控制發(fā)光和發(fā)聲模塊進(jìn)行相應(yīng)操作，電機(jī)的驅(qū)動采用LM297模塊。

圖3 角度測量控制系統(tǒng)基本原理

2 風(fēng)帆動態(tài)平衡時抖動產(chǎn)生高頻干擾影響

圖4為光電編碼器的工作原理圖。碼盤上分布著沿著圓周等分的細(xì)小狹縫，碼盤后端放置發(fā)光元件，前端分布著三個光敏元件，當(dāng)旋轉(zhuǎn)元件帶動編碼器的旋轉(zhuǎn)軸運動，當(dāng)狹縫和光電接受元件正對時，光線由狹縫穿過，由光敏元件接受，在圓周上布置好光敏元件后，能夠獲得相差90°的兩路信號A、B和計周信號Z。

風(fēng)帆在風(fēng)機(jī)的風(fēng)力和自身重力的分量達(dá)到平衡時，能夠較為穩(wěn)定的停留在相應(yīng)的位置，但這時不是一種固定的平衡，其位置在一定的范圍內(nèi)發(fā)生變化，即我們所謂的抖動。根據(jù)示意圖可知，如果狹縫和光敏元件正好在臨界接收位置時，此時的抖動能夠造成在某一方向的持續(xù)的小寬度的脈沖電平信號，從而造成誤計數(shù)。在電子競賽中的帆板控制系統(tǒng)中，采用圖2所示的信號處理電路配合單片機(jī)計數(shù)時，在人工轉(zhuǎn)動帆板并觀察液晶數(shù)顯時，讀數(shù)較為準(zhǔn)確，基本在誤差范圍內(nèi)。而當(dāng)風(fēng)帆在進(jìn)行自動風(fēng)力調(diào)節(jié)到指定角度時，往往無法到達(dá)指定位置，根據(jù)液晶數(shù)顯指示，此時讀數(shù)已經(jīng)完全紊亂。

動態(tài)測量過程中抖動所產(chǎn)生的影響對于整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制，影響非常大，圖5為通過示波器所觀察的高頻尖脈沖示意，上部的方波為正常無抖動情況下的編碼器輸出波形，而下面的波形為在平衡位置時產(chǎn)生的寬度很窄的尖脈沖。通過圖2所示的辨向電路時，尖脈沖也能在正向或者反向產(chǎn)生脈沖，影響后端電路的正常計數(shù)。

圖4 光電編碼器工作原理圖 圖5 動態(tài)測量時高頻尖脈沖波形圖

3 改進(jìn)后的抗抖動信號處理電路

抖動產(chǎn)生的尖脈沖需要相關(guān)的電路或者通過軟件數(shù)字濾波對信號進(jìn)行處理。目前比較常用的有數(shù)字解碼技術(shù)，通過與正常的電平持續(xù)時間的比較來去除其中的短時尖脈沖，但是增加了軟件開發(fā)的復(fù)雜程度很消耗單片機(jī)的時間開銷；另外一種方式是通過RC濾波電路對高頻的尖脈沖進(jìn)行濾除，但編碼器的旋轉(zhuǎn)速度通常是變化，選擇相應(yīng)的濾波頻率比較困難[5-6]。在比較并實驗了相關(guān)的方法后，采用GAL16V8開發(fā)了相關(guān)硬件抗抖動處理電路。

圖6 編碼器信號倍頻辨向波形圖

編碼器的原始輸入信號A、B經(jīng)過D觸發(fā)器整形，經(jīng)過一級觸發(fā)器后變?yōu)锳′、B′，經(jīng)過二級觸發(fā)器比較后變?yōu)锳″、B″，D觸發(fā)器能夠?qū)π盘栠M(jìn)行整形，尖脈沖經(jīng)過D觸發(fā)器兩級整形后，其影響基本消除，由于在后續(xù)的倍頻電路中不再采用原始信號計數(shù)，所以高頻尖脈沖的影響被消除，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

在倍頻辨向電路中，采用組合時序邏輯電路實現(xiàn)對 A′、B′、A″、B″四個信號進(jìn)行邏輯組合，邏輯表達(dá)式如下：

(1)

(2)

為了簡化電路模塊，采用GAL16V8作為編碼器信號處理部件，如圖7所示，其中AB信號從圖2所示電路的A2、B2端接入，用GAL器件燒入抗抖動處理電路來取代前面的辨向電路，其中CLK時鐘信號最低為8*N*S，N為編碼器每周輸出脈沖數(shù)，S為每秒碼盤的最高轉(zhuǎn)速，在實際應(yīng)用電路中采用單片機(jī)的晶振頻率6分頻后接入，常采用2MHZ時鐘信號[7-8]。

4 抗抖動處理電路在風(fēng)帆系統(tǒng)中的角度測量應(yīng)用

圖8為帆板控制系統(tǒng)實物圖。單片機(jī)通過T0和T1端口接入經(jīng)過光耦隔離和抗抖動處理電路處理后的信號P+和P-，經(jīng)過當(dāng)量計算后與預(yù)置角度進(jìn)行比較，如果偏差不在許可范圍，通知主控器2進(jìn)行調(diào)節(jié)風(fēng)速，一旦到達(dá)后通知主控器2保持風(fēng)速。整個過程循環(huán)執(zhí)行。

圖7 GAL16V8連接圖 圖8 帆板控制系統(tǒng)實物圖

次數(shù)設(shè)定角度值數(shù)碼管顯示值量角器測量值15°4.95°5°215°14.85°15.4°330°30.15°31°435°35.10°35.8°545°45°46°650°49.95°49°760°59.8561°

系統(tǒng)按照競賽要求，進(jìn)行角度控制實驗，分別取7個角度進(jìn)行驗證，實驗結(jié)果如表1所示。該閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)置的角度和數(shù)碼管顯示角度、量角器測量角度基本保持了一致，實際測量過程中量角器的量測的精度低于編碼器的0.45°的分辨率，并且受觀測角度和擺動時候的觀測誤差影響。

表一顯示的測量結(jié)果表明，采用抗抖動處理的倍頻電路的角度測量系統(tǒng)能夠精確的測定實際風(fēng)帆的擺動角度，整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；而在沒有采用該電路之前，整個控制系統(tǒng)只能采用開環(huán)控制，其角度顯示部分在自動控制角度時，無法做到正確的顯示帆板位置，該電路的開發(fā)對于我校電子大賽取得優(yōu)異成績發(fā)揮了很大的作用。

5 結(jié)語

傳感器在實際應(yīng)用過程中，受外部環(huán)境或者應(yīng)用場合環(huán)境的影響，感應(yīng)信號夾帶雜訊和其他的一些相關(guān)干擾是常見問題，這些問題的解決往往決定了整個系統(tǒng)的綜合性能的好壞。本文所開發(fā)的光電編碼器抗抖動信號處理電路，能夠克服光電編碼器在似動未動位置產(chǎn)生的高頻尖脈動對計數(shù)的影響，同時還實現(xiàn)了信號的四倍頻，提高了系統(tǒng)的分辨率。

該測量電路的開發(fā)與傳統(tǒng)的抗抖動濾波電路，軟件解碼數(shù)字濾波相比，可靠穩(wěn)定，減少了編程的復(fù)雜程度，對于其他的光柵、感應(yīng)同步器等輸出相差90度的兩路方波的位置檢測裝置的信號處理具有參考意義，在現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展不斷進(jìn)步的今天，包括單片機(jī)在內(nèi)的該角度檢測系統(tǒng)所有電路都可以集成到FPGA芯片中，作為一個專門的固件使用，應(yīng)用前景非常廣闊。

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