数控机床中光电编码器计数电路设计

1、数控机床中光电编码器计数电路设计     Design of Count Circuit of Encoder in CNC Machine ToolXU YonghuaAbstracts：When an encoder works in environment with high frequency vibration, the output signal of the encoder will be distorted. This will generate errors to the count result. So we designe

2、d a simple circuit to reduce this kind of errors. Experiments prove that the circuit is feasible and efficient.Key Words：CNC Machine, Encoder, Count Circuit1引言光电编码器是一种高精度的角位置测量传感器，在数控车床中常用于检测主轴系统的转速和角位移，也经常在伺服系统中用于检测伺服电机的转速1，4。但是，光电编码器在其安装基座的机械振动激励下，会不可避免地导致其主码盘的振动，从而引起输出波形的畸变，最终引起计数错误，使伺服驱动系统不能正常运行

3、，影响数控机床的加工精度和定位精度3。为此，可以采用数字滤波的方法来减少计数误差2，但存在以下缺点：(1)数字滤波要占用CPU时间，而且随着所用光电编码器数量的增加而增加，故不能适应较大系统的要求。(2)数控车床进行螺纹插补时，需要准确读取光电编码器的计数值，以获取主轴位置信息，但此时CPU没有时间进行数字滤波。基于以上原因，我们对光电编码器常用的判向和计数电路进行了改进，较好地解决了由于振动引起的计数误差。2常规光电编码器的判向和计数电路通常，光电编码器的输出信号由A和B相位差90°的两路方波组成，可用D触发器作为判向器，由门电路和可逆计数器完成计数功能(图1)。图1编码器常用判向

4、计数电路当光电编码器顺时针方向旋转时，A相信号在相位上超前B相信号1/4周期(图2)。经过D触发器后，Q1为高电平，Q2为低电平，于是，C1有计数脉冲，可接入双向计数器的“+”端，而C2保持为低电平。反之，当逆时针方向旋转时，C1将保持低电平，C2形成的计数脉冲可作为双向计数器“-”端的输入信号，从而完成对光电编码器输出信号的计数。图2常用判向计数电路的信号3误差扼制电路的设计原理及实现由于外部激振力的作用，使光电编码器的主码盘和鉴相盘之间不能再保持原来正确的位置关系，产生的信号经内部整形后，其A、B两相输出信号不可能再得到理想的方波信号，可能叠加若干个高频方波干扰脉冲，若采用图1所示的计数电

5、路，那么干扰脉冲也将进入计数器，引起计数误差。为此我们对图1所示的电路加以改进，利用电路对信号的延迟和门电路的逻辑运算能力来消除振动引起的高频方波干扰脉冲，防止误计数(图3)。图3方波干扰扼制电路框图由于信号经过D触发器需要一定的时间ty，因此，相对于t时刻的信号A(t)、B(t)，第i级的D触发器的输出信号Qi和i将在t+i×ty时刻建立。因此，若电路有m级D触发器组成，那么，将在m×ty时间内，每隔ty产生一个信号Qi和i(i=1,2,m)，这些信号经过“与”运算后，得到用于顺时针方向的计数信号C+和逆时针方向的计数信号C-，见下式。考虑光电编码器顺时针方向旋转，当在(

6、t,t+m×ty)内某一时刻，信号A、B的相位差由于振动而被破坏并产生高频干扰脉冲时，此干扰信号到达计数器的必要条件是Q1，Q2Qm全为“1”，但是，由于D触发器的延迟作用，而使Q1，Q2Qm全为“1”的可能性得到扼制。若按等概率计算，高频干扰信号经过m级D触发器到达计数器的概率为1/2m。4实验为了验证该方法的有效性，我们设计了一个验证电路(图4)。(a)误差信号扼制电路(b)计数电路图4误差信号扼制实验电路实验时，我们将受试的光电编码器固定在一支座上，将其输出的A、B信号分别接入图4a的A和B端。使用1级D触发器时，将图4a中的A、Q1相“与”后作为顺时针方向信号接入图4b的CW

7、端，将图4a中的B、1相“与”后作为逆时针方向信号接入图4b的CCW端；使用2级D触发器时，将图4a中的A、Q1、Q2相“与”作为图4b的CW信号，将图4a中的B、1、2相“与”作为图4b的CCW信号，依次类推。3片74LS192构成12位计数器。实验开始，给支座施加一持续的振动，并转动受试光电编码器，当出现光电编码器的基准脉冲Z信号时，将计数器清零，启动计数器开始计数。反复转动该光电编码器，直到再次出现基准脉冲Z信号。此时，光电编码器沿顺时针和逆时针转过的总圈数的代数和为零，若电路没有误计数，则计数器的读数应为0。实验结果如附表所示。实验采用的光电编码器的型号为欧姆龙公司生产的E6B2。实验结果比较表触发器级数1234计数结果9233945结论(1)光电编码器是数控机床上广泛使用的角位移传感器，在螺纹加工时用于对主轴转角的测量，也用于检测伺服电机的转速和转角，完成半闭环控制。由于其支座的振动，可导致光电编码器输出波形的畸变，产生误计数，影响数控机床的加工精度和定位精度。(2)光电编码器输出波形的畸变与振动频率、振动幅度和光电编码器本身的相应特性有关，但目前尚不能量化，需通过实验确定。(3)通过多级D触发器的延迟和门电路的运算能力，可以有效地扼制波形畸变引起的计数误差。(4)