哈工大机械系统自动控制大作业-针对ABZ信号的计数器方法研究

1、Harbin Institute of Technology机械系统自动控制技术大作业报告题目： 针对ABZ信号的计数器方法研究 班 级： 作 者： 学 号： 指导教师： 郝明晖 郝双晖 时 间： 2015.5.7 哈尔滨工业大学摘要增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相。本文通过对增量式编码器进行分析，来研究针对ABZ信号的计数器方法。一、引言ABZ信号是由增量式编码器输出以实现编码器的功能，而增量式编码器，是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。故针对ABZ信号的计数器方法研究，即对于增量式编码器的研究。二、增量式编码

2、器工作原理 （1）内部组成及工作方式增量式编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向）。在接合数字电路特别是单片机后增量式编码器在角度测量和角速度测量较绝对式编码器更具有廉价和简易的优势。图1 增量式编码器内部组成图2 增量式编码器工作原理图及输出波形增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相。A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高分辩率时，可利用90度相位差的 A、B 两路信号进行倍频或更换高分辩率编码器。

3、Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。图3 A、B信号接收过程示意图A,B两点对应两个光敏接受管，A,B两点间距为 S2 ,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。通过输出波形图可知每个运动周期的时序为表1 运动周期的时序 顺时针运动逆时针运动A B1 10 10 01 0A B1 11 00 00 1我们把当前的A,B输出值保存起来，与下一个A,B输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向。如果光栅格S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0

4、的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消耗的时间，就得到此次角度码盘运动位移角速度。S0等于S1时，且S2等于S0的1/2时，1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度了。我们常用的鼠标也是这个原理。（2）正交编码脉冲电路以增量式编码器RH158N为例，其每转输出1024个脉冲，对针对ABZ信号的计数器方法进行研究。DSP的QEP电路和捕获单元共用输入引脚，可以通过设置相应的捕获单元控制寄存器使能 QEP电路而禁止其捕获功能!当电机轴上的光电编码器产生正交编码脉

5、冲A、B 时，将两路脉冲分别送入QEP电路输入引脚，QEP将4倍频计数。采用的RH158N1024经过4倍频后为4096脉冲/转。TMS320F2812的QEP电路可选择通用定时器T2或T4来计算电路的输入脉冲次数，即将QEP电路脉冲信号作为T2或T4的时钟源。以T2为例，首先设定T2工作在定向加/减计数模式。A、B 脉冲分别送入QEP引脚后，通过QEP方向检测逻辑，检测A、B脉冲序列的先后，进而产生一个方向信号作为T2的方向输入，如果电机正转，T2增计数; 反之，T2 减计数。T2在计数器下溢或上溢时发生翻转，并重新开始计数。因为定时器T2 每计数FFFFh次才反转一次，这远远大于光电编码器

6、每转输出脉冲的四倍频(4096) ，因此在两个零位参考脉冲信号之间，计数器最多出现一次翻转，如图4所示，f(t1)、f(t2)分别表示定时器计数值。由图4所示可知，在第1种情况下，t1-t2时间内定时器计数值的增量为，在第2种情况下，t1-t2时间内定时器计数值的增量为，如果要计算t2时刻相对于以光电编码器输出的零位参考信号Z转角基准的旋转夹角，必须以捕获单元最后一次捕获到光电脉冲时的计数器2的值为参考来计算。图4 正、反转时转角计算图三、增量式编码器技术规格在增量式编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形

7、式。（1）分辨率 编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在5006000PPR 的增量式光电编码器，最高可以达到几万PPR。交流伺服电机控制系统中通常选用分辨率为2500PPR 的编码器。此外对光电转换信号进行逻辑处理，可以得到2 倍频或4 倍频的脉冲信号，从而进一步提高分辨率。（2）精度 增量式编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另

8、一脉冲位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。（3）输出信号的稳定性 编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。（4）响应频率 编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。当编码器高速旋转时，如果其分辨率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。如果光电

9、检测器件和电子线路元器件的工作速度与之不能相适应，就有可能使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。这样输出信号就不能准确反映轴的位置信息。所以，每一种编码器在其分辨率一定的情况下，它的最高转速也是一定的，即它的响应频率是受限制的。 （5）信号输出形式 在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。所以，在编码器内还必须将此信号放大、整形。经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易进行数字处理，所以这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采用正弦波输出信号时基本消除了定位停止时的振荡现象，并且

10、容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。增量式光电编码器的信号输出形式有：集电极开路输出（Open Collector）、电压输出（Voltage Output）、线驱动输出（Line Driver）、互补型输出（Complemental Output）和推挽式输出（Totem Pole）。四、增量式编码器测速的相关问题（1）基本测速方法 关于增量式编码器基本测速方法及各自的优缺点，这里不再赘述，为了便于描述直接给出结论： T 法测速是在编码器相邻脉冲的时间间隔内对已知频率为 fc的高频脉冲计数，根据所得计数值 m1及频率 fc计算电机转速，原理示意图如图 4所示。设编码器分辨率为

11、 P，则电机转速测量值为。T法测速的量化误差为1/ m1。图5 T法测速原理示意图 M法测速是在设定的检测时间 Tc(单位为 s) 内，对编码器脉冲进行记数，根据检测到的脉冲数m2计算电机转速，原理示意图如图5所示。设编码器分辨率为 P，则电机转速测量值为。M法测速的量化误差为1/ m2。图6 M法测速原理示意图（2）编码器分辨率的影响从 T 法、M 法的测速原理和量化误差可以看出：编码器的分辨率越低，即P越小，T 法中速度值更新的时间间隔越长，导致测速延时大、实时性差；M 法中，P 越小，同样时间内得到的脉冲计数值 m2越小，量化误差越大。 如果编码器分辨率太高，T 法测速时速度更新延时可以

12、忽略，但 m1会很小，量化误差增大；M法测速得到的m2足够大，能够保证量化误差满足要求。 所以，从测速方法的选择来说，编码器分辨率高时优先选择 M 法，分辨率很低时优先选择 T 法。（3）编码器加工精度的影响当编码器分辨率较低时，为了得到更好的测速效果，比较有效的方法是同时检测编码器脉冲的上升沿和下降沿，即“双沿检测”。这样一来，对于有两路正交脉冲输出的编码器而言，电机每转一圈得到的脉冲个数为分辨率的4倍，T法测速的更新频率提高四倍，M法测速的量化误差减小为1/4。不管使用T法还是M法，双沿检测的有效性都基于一个前提：转速不变时两路编码器脉冲均匀分布，并且占空比均为 50%。但是，编码器加工过

13、程中往往存在误差，导致占空比为 50%这个前提不能满足。如果这个条件得不到满足，双沿同时检测不仅不能提高测速效果，反而会导致测速结果误差更大。（4）编码器安装精度对分辨率足够高的编码器来说，速度采样率和量化误差都不是问题。但是编码器分辨率越高往往对安装精度的要求也越高，细微的安装偏差就有可能造成严重的测速误差。安装中比较容易出现的问题有偏心、码盘面与转子轴线垂直度不够等，结果输出脉冲的周期一致性会受到严重影响。有时在电机旋转一圈的过程中，会在某个区域测量误差比较大，导致转速控制中存在周期性波动。五、增量式编码器选型参考速度计与长度计一般采用增量式编码器，以下就其参数范围作简要的介绍，供选型参考

14、。（1）光栅线数：表2 光栅线数常 用 线 数30、60、100、120、200、250、256、300、360、400、480、500、512、600、700、 800、900、907、1000、1024、1200、1250、1440、1500、1800、2000、2048、2400、2500、2669、3000、3600、4000、4069、4500、5000、5400（2）五种输出方式：l 集电极开路输出（通用型）l 互补输出l 电压输出l 长线驱动器输出l UVW 输出（3）工作电压： 5V、12V、24V、5-24V（通用型）、5-30V（4）防护性能：常规为防油、防尘、抗震型。（5）弹性联接器：编码器轴与用户轴联接时，存在同轴误差，严重时将损坏编码器。要求采用弹性联接器（编码器厂家提供选件），解决偏心问题，一般可以做到允许扭矩 <1N.m, 不同轴度<0.2mm，轴向偏角 <1.5度。弹性联轴器常用规格为：表3 弹性联轴器常用规格编码器端孔径（mm）用户端孔径（mm）4、5、6、8、10、15 4、5、6、6.35、8、10、15（6）安装使用及注意事项：编码器属于高精密仪器，安装时不得敲击和碰撞。轴端联接避免钢性联接，而应采用弹性联轴器、尼龙齿轮或同步带联接传动。使用转速不要超过标称转速