光电码盘四倍频分析

　　摘　要: 提高位置测量的精度，是提高电机定位精度" title="定位精度">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" title="实际应用">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" title="角位移">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" title="结构简单">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°" title="90°">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，利用复杂可编程逻辑器件(PLD)，实现会更为简单。
　　基于以上思路，根据不同的计数方案，可以设计出以下两种四倍频电路。
2 面向通用计数器的四倍频及判向电路
　　在实现1～2路电机控制的情况下，使用微控制器内部通用计数器，或简单地增加可编程计数器即可实现计数。因此也要求四倍频电路结构简单，便于利用简单PLD实现集成。为此，我们采用的电路原理如图2所示。其中，74LS174为6D触发器，用于锁存A、B信号的当前状态及原状态；CP为74LS174的同步时钟，其周期至少应小于码盘脉冲最小周期的1/4；XA及XB分别为电路生成的正反向四倍频计数脉冲，其宽度等于CP的脉冲周期。该电路的逻辑表达式如下：
　　
　　由于我们主要关心该电路在输入状态变化时，其输出状态的变化情况，而且四倍频电路变化较大的也主要是输入状态，因此本文采用输入状态转换图进行电路逻辑分析(下同)。该电路的输入状态转换如图3所示。

　　其中，AB表示A、B两相输入信号，XA、XB表示四倍频电路输出。从状态图可以看出，该电路不仅在输入正常的条件下能够稳定工作，而且在AB出现同时变化的输入错误状态下(输入在00←→11或01←→10之间跳变)，其输出信号不会发生任何变化，这一方面显示了电路逻辑结构的严密性，另一方面也提高了抗干扰能力。图4为该电路实现四倍频及判向功能的时序图。
　　从以上分析可以看出，该电路具有逻辑结构严密、不受干扰输入影响、易于实现简单PLD器件集成等特点。当前，该电路已成功应用于多种机器人控制系统中，包括人工肌肉、图像监控系统，以及分辨率达到60nm的微操作机器人等，实际应用验证了该电路的精度和稳定性。

3 面向可逆计数器的四倍频及判向电路设计
　　对于多轴数控机床、机器人等需要多轴电机控制的场合，如果采用上述设计方案，往往需要增加较多的可编程计数器，造成电路元器件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降等缺点。当前，解决该问题的一个有效方案，是利用FPGA等复杂PLD器件，实现多路电机的码盘接口电路的芯片化设计，包括光码盘信号四倍频电路、判向电路及可逆计数器电路。下面，以采用FPGA实现为例，说明设计过程。
　　首先，为便于使用VHDL语言描述，对码盘信号作如下分析：
　　(1)当码盘正转时，码盘输出的A相信号超前B相90°，则在一个周期内，AB两相信号共有四次相对变化： (图1a)；这样，如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次加计数，则一个周期内，共可实现四次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数。
　　(2)当码盘反转时，码盘输出的A相信号滞后B相90°，则在一个周期内，AB两相信号也有四次相对变化：(图1b)；这样，如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次减计数，则一个周期内，共可实现四次减计数，从而实现反转状态的四倍频计数。
　　(3)当线路受到干扰或出现故障时，则可能出现其他状态转换过程，此时计数器应不进行计数操作。
　　综合以上分析，可以作出基于FPGA设计的码盘信号处理模块状态转换图(见图5)，其中“＋/－1”分别表示计数器加/减1计数，“0”表示计数器不动作。

　　由该状态转换图，可以将该模块描述如下：
　　Ecoderinput :process(pa、pb、clr、preset、clk、dbin、cnten、db)
　　begin
　　if(clr＝＇0＇) then
　　db＜＝″0000000000000000″;
　　prestate＜＝″00″;
　　state＜＝″00″;
　　elsif (clk＇event and clk＝＇1＇) then
　　if (preset＝＇0＇) then
　　db＜＝dbin;
　　elsif(cnten＝＇0＇) then
　　state(1)＜＝pa;
　　state(0)＜＝pb;
　　prestate＜＝state;
　　if(prestate＝″00″) and (state＝″10″) then db＜＝db＋″0000000000000001″;
　　elsif (prestate＝″10″) and (state＝″11″) then db＜＝db＋″0000000000000001″;
　　elsif (prestate＝″11″) and (state＝″01″) then db＜＝db＋″0000000000000001″;
　　elsif (prestate＝″01″) and (state＝″00″) then db＜＝db＋″0000000000000001″;
　　elsif (prestate＝″00″) and (state＝″01″) then db＜＝db－″0000000000000001″;
　　elsif (prestate＝″01″) and (state＝″11″) then db＜＝db－″0000000000000001″;
　　elsif (prestate＝″11″) and (state＝″10″) then db＜＝db－″0000000000000001″;
　　elsif (prestate＝″10″) and (state＝″00″) then db＜＝db－″0000000000000001″;
　　else db＜＝db;
　　end if;
　　end if;
　　end if;
　　end process Ecoderinput;
　　图6为该模块实现四倍频及判向功能的时序图。