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光電編碼器范文第1篇

【關(guān)鍵詞】編碼器；光纖；光電轉(zhuǎn)換

1.引言

光電編碼器在現(xiàn)代電機控制系統(tǒng)中常用以檢測轉(zhuǎn)軸的位置與速度，是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的高精度角位置測量傳感器。由于其具有分辨率高、響應速度快、體積小等特點，被廣泛應用于電機控制系統(tǒng)中。

2.絕對值型光電編碼器信號傳輸?shù)墓饫w實現(xiàn)

編碼器按信號輸出形式分為絕對式編碼器和增量式編碼器。絕對式光電編碼器具有輸出量可與PLC模塊、ARM或FPGA等器件直接接口，無累計誤差等優(yōu)點，但價格高、制造工藝復雜，不宜實現(xiàn)小型化。絕對型編碼器有兩種類型，單圈和多圈。單圈絕對型編碼器旋轉(zhuǎn)一圈后自動回到零；多圈絕對型編碼器旋轉(zhuǎn)到編碼器最大圈數(shù)、最大計數(shù)值自動回到零。絕對型編碼器一般采用格雷碼盤編碼。格雷碼（Gray Code）在任意兩個相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時，只有一個數(shù)位發(fā)生變化。以分辨率24四位二進制碼盤為例。若絕對值編碼器采用二進制8421碼盤，如圖1所示，兩個順序的編碼之間有一位或一位以上二進制位置改變。例如：兩個順序的二進制碼，從0111變到1000，二進制碼的所有位都改變它們的狀態(tài)。在改變狀態(tài)的過渡時刻得到讀數(shù)可能是錯誤的。即位置的同步和采樣變得非常困難。而采用二進制格雷碼盤，如圖2所示，兩個順序的編碼之間，從最后一位碼到第一位碼，只有一位二進制位置改變，這樣使位置的同步和采樣變得準確、簡單、可行。關(guān)于自然二進制碼與格雷碼之間的換算關(guān)系可以參考相關(guān)文獻。

絕對值編碼器信號輸出一般有并行輸出、串行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出。下面對其輸出方式進行簡單介紹。

2.1 并行輸出

絕對值編碼器輸出的是多位數(shù)碼（格雷碼或純二進制碼），并行輸出就是在接口上有多點高低電平輸出，以代表數(shù)碼的1或0，對于位數(shù)不高的絕對編碼器，一般就直接以此形式輸出數(shù)碼，可直接進入PLC或上位機的I/O接口，輸出即時，連接簡單。但是并行輸出有如下問題：

①必須是格雷碼，因為如是純二進制碼，在數(shù)據(jù)刷新時可能有多位變化，讀數(shù)會在短時間里造成錯碼。

②所有接口必須確保連接好，因為如有個別連接不良點，該點電位始終是0，造成錯碼而無法判斷。

③傳輸距離不能遠，一般在一兩米，對于復雜環(huán)境，最好有隔離。

④對于位數(shù)較多，要許多芯電纜，并要確保連接優(yōu)良，由此帶來工程難度，同樣，對于編碼器，要同時有許多節(jié)點輸出，增加編碼器的故障損壞率。

2.2 同步串行（SSI）輸出

串行輸出就是通過約定，在時間上有先后的數(shù)據(jù)輸出，其連接的物理形式有RS232、RS422（TTL）、RS485等。SSI接口如RS422模式，以兩根數(shù)據(jù)線、兩根時鐘線連接，由接收設(shè)備向編碼器發(fā)出中斷的時鐘脈沖，絕對位置值由編碼器與時鐘脈沖同步輸出至接收設(shè)備。由接收設(shè)備發(fā)出時鐘信號觸發(fā)，編碼器開始輸出與時鐘信號同步的串行信號。串行輸出連接線少，傳輸距離遠，提高了編碼器的可靠性和保護。一般高位數(shù)的絕對編碼器都是用串行輸出的。

2.3 現(xiàn)場總線型輸出（異步串行）

現(xiàn)場總線型編碼器是多個編碼器各以一對信號線連接在一起，通過設(shè)定地址，用通訊方式傳輸信號，信號的接收設(shè)備只需一個接口，就可以讀多個編碼器信號。總線型編碼器信號遵循RS485的物理格式，目前有多種通訊規(guī)約，各有優(yōu)點，還未統(tǒng)一，編碼器常用的通訊規(guī)約有如下幾種：PROFIBUS-DP；CAN；DeviceNet等?？偩€型編碼器可以節(jié)省連接線纜、接收設(shè)備接口，傳輸距離遠，在多個編碼器集中控制的情況下還可以大大節(jié)省成本。

2.4 變送一體型輸出

其信號已經(jīng)在編碼器內(nèi)換算后直接變送輸出，其有模擬量4-20mA輸出、RS485數(shù)字輸出、14位并行輸出等。

針對絕對值編碼器的常見輸出信號形式即同步串行輸出（SSI），提出采用光纖傳輸?shù)姆椒?，從而提高編碼器信號的抗干擾能力以及施工接線的方便性。工業(yè)串口光纖Modem將RS-232/422/485電信號直接調(diào)制成光信號在光纖上傳輸，解決了電磁干擾、地環(huán)干擾和雷電破壞的難題，提高了數(shù)據(jù)通訊的可靠性、安全性和保密性，適合我方對電磁干擾環(huán)境有特殊要求的某控制系統(tǒng)。如圖3所示，編碼器端輸出的同步串行RS-422數(shù)據(jù)信號通過接口變換電路轉(zhuǎn)換為TTL信號，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器件變換為光信號進行傳輸。同樣，RS-422的時鐘同步信號由接收端通過相同的方式進行轉(zhuǎn)換，所不同的是數(shù)據(jù)信號和時鐘同步信號轉(zhuǎn)換后的光波長不相等，然后通過多模光纖來傳播。

3.增量式光電編碼器信號傳輸?shù)墓饫w實現(xiàn)

增量式光電編碼器不具有計數(shù)和接口電路，價格較低，在實際工程中比較常用。

采用三路相互正交的脈沖信號進行長距離傳輸，目的是為了提高信號的抗干擾能力。但是，一般編碼器的輸出信號均要求與強電分開傳輸，而在我方具體的應用系統(tǒng)中，單獨鋪設(shè)編碼器信號傳輸電路存在施工難度，而且增加了線路的復雜性。為此，考慮將編碼器輸出信號進行光電轉(zhuǎn)換，采用塑料光纖進行傳輸（塑料光纖作為工業(yè)級應用場合，具有柔韌性高、不易磨損等特點）。從而可以將光纖與強電纜在同一線槽中鋪設(shè)，提高信號傳輸抗干擾的同時，節(jié)省了步線空間并降低了綜合成本。針對輸出的A、B、Z三相脈沖信號，可以直接將其轉(zhuǎn)換為光信號（如圖8所示），使光電編碼器的輸出方式統(tǒng)一規(guī)劃為光信號（電壓輸出、互補輸出、驅(qū)動器輸出、集電極開路輸出均可采用此種方法），而在接收端通過光纖接收器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號（如圖9所示）進入相應的處理電路，進行計數(shù)等處理。

選用美國安華高科（Avago TECHNOL-OGIES）公司的HFBR-1523Z，HFBR-2523Z光纖收發(fā)器（660納米）。這組光纖收發(fā)器最高傳輸速率40KBd，工作溫度范圍0℃～70℃，最大工作電流25mA，光纖采用Ф1塑料光纖。此處需明確波特率和比特率的區(qū)別。波特（baud）是指信號大小方向變化的一個波形，編碼器輸出波特率為1024ps，即每秒傳輸信號波形變化1024個。一個信號波形可以包含一個或多個二進制位，例如單比特信號的傳輸速率為9600bit/s，則其波特率為9600baud，它意味著每秒可傳輸9600個二進制脈沖。如果信號波形由2個二進制位組成，當傳輸速率為9600bit/s時，則其波特率只有4800baud。實驗中選擇光纖收發(fā)器的通信速率為40Kbps時，HFBR-1523Z（發(fā)射），HFBR-2523Z（接收）光纖收發(fā)器可以滿足要求。圖10所示為從示波器上捕獲的波形。檢測發(fā)射器HFBR-1523Z的輸入DATE，波形如上面方波所示，經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換，然后通過塑料光纖傳輸，在接受器HFBR-2523Z的1引腳上檢測到的一幀接收號波形（下面），實現(xiàn)了編碼器脈沖信號的光纖傳輸。

4.結(jié)論

綜上所述，采用光纖接口電路，輸入和輸出光信號能滿足要求的通訊速率，實現(xiàn)了編碼器輸出信號的光纖傳輸。使用光纖作為傳輸介質(zhì)，編碼器端與控制系統(tǒng)間有良好的電氣隔離，也避免了電機啟動、運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的強電磁場環(huán)境對編碼器弱點脈沖信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

參考文獻

[1]郭帥，欒一秀.測井中光電編碼器原理及常見故障分析[J].內(nèi)江科技，2011，6：107-176.

[2]王春江，周政.雙編碼器控制煉鐵高爐料車運行[J].自動化技術(shù)與應用，2011，30（7）：89-106.

[3]覃宗厚，覃朝堅.速率自適應同步RS-422信號的光纖傳輸[J].光通信技術(shù)，2009，8：48-50.

光電編碼器范文第2篇

關(guān)鍵詞：絕對式光電編碼器；格雷碼；二進制碼；Labview

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)31-

Angle Measurement of Absolute Optical Encoder Based on Virtual Instruments

ZHANG Hui, LIU Jing, QIU chang-li

(Department of Electrician and Electron, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)

Abstract: Angle measurement of Absolute optical encoder base on Virtual Instruments, the Gray code of absolute optical encoder is sent to single-chip and is convered to binary code, using Labview for data analysis and processing, whose man-machine interface design is beautiful and convenient, it can easily overcome the difficulties of single-chip division calculation.

Key words: absolute optical encoder; gray Code;bBinary code; Labview

1 引言

編碼器是一種特殊形式的光電耦合器件，根據(jù)編碼器刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式兩種。

增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。

絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)，它的特點是可以直接讀出角度坐標的絕對值；沒有累積誤差；電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。

在編碼器的應用中，由于絕對編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應用于工控定位中。

2 設(shè)計原理

本系統(tǒng)由絕對式編碼器，數(shù)據(jù)處理模塊，AVR單片機及Labview虛擬儀器平臺組成。系統(tǒng)工作過程如下：編碼器通過數(shù)據(jù)處理模塊完成相應的電平轉(zhuǎn)換，并將格雷碼送至單片機相應的I/O端口。單片機讀入碼值進行碼值轉(zhuǎn)換，并通過SPI接口將結(jié)果顯示到液晶屏，同時通過USART接口將結(jié)果送至上位機，用Labview進行后級數(shù)據(jù)分析處理及相應人機交互界面的設(shè)計。

圖1 硬件原理示意框圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

1) 數(shù)據(jù)處理模塊：主要實現(xiàn)的是+12V電平到+5V電平的轉(zhuǎn)化。因為編碼器所提供的并行碼的電平是+12V的，而ATmega16的電平為+5V。在模塊中采用了光耦作為電平轉(zhuǎn)化器件，輸入的編碼器的并行碼進行電平轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過74LS14反向器輸出給ATmega16。

2) ATmega16：主要實現(xiàn)的是對采集到的編碼器的輸出碼進行從格雷碼到二進制的轉(zhuǎn)換，同時并把轉(zhuǎn)換后的二進制碼通過串口發(fā)送給虛擬儀器。為了實現(xiàn)對編碼器的旋轉(zhuǎn)角度的準確描述和顯示，我們采用對編碼器進行三次采樣，它們分別是：編碼器從靜止到轉(zhuǎn)動的初試狀態(tài)，編碼器轉(zhuǎn)動過程中的中間狀態(tài)和編碼器從轉(zhuǎn)動到靜止的終止狀態(tài)。

格雷碼到二進制碼的轉(zhuǎn)換規(guī)律：

格雷碼的最高位與0相異或作為二進制碼的最高位，格雷碼的次高位與二進制碼的最高位相異或作為二進制碼的次高位，格雷碼的第三位與二進制碼的次高位相異或作為二進制碼的第三位，依次進行下去就得到了轉(zhuǎn)換后的二進制碼。

3) 虛擬儀器：

由于單片機對于數(shù)學的除法計算不易實現(xiàn)，所以采用了用虛擬儀器對采集到的數(shù)據(jù)進行處理并顯示。Labview接收到來自單片機的三組數(shù)，它們是：編碼器從靜止到轉(zhuǎn)動的初試狀態(tài)A[0]，編碼器轉(zhuǎn)動過程中的中間狀態(tài)A[1]和編碼器從轉(zhuǎn)動到靜止的終止狀態(tài)A[2]。在Labview的后面板中具體的數(shù)據(jù)處理是通過A[0]與A[1]的比較可以得出轉(zhuǎn)動方向，A[2]與A[0]的差值經(jīng)過角度變換便可以得出旋轉(zhuǎn)的角度，同時在前面板中進行顯示。實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 實驗結(jié)果

程序框圖如圖3所示。

圖3 程序框圖

4 結(jié)論

該系統(tǒng)實現(xiàn)了基于絕對式編碼器的角度測量，利用虛擬儀器，克服了單片機對數(shù)學的除法計算的困難。可以實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)角度的精確測量。

參考文獻：

[1] 劉豐文,鄧文和.25位絕對式編碼器[J].光電工程,2007,27(6):66-68.

[2]鄧方,陳杰,陳文頡,等.一種高精度的光電編碼器檢測方法及其裝置[J].北京理工大學學報,2007,27(11):977-980,1008.

光電編碼器范文第3篇

【關(guān)鍵詞】電動執(zhí)行機構(gòu)；光電傳感技術(shù)；光電編碼器；電子行程

1.引言

電動執(zhí)行機構(gòu)是工控領(lǐng)域中廣泛應用于控制閥門開啟和閉合的一種電動驅(qū)動裝置，通過遠方和就地控制信號實現(xiàn)對閥門的行程控制。傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)中，行程部件大部分采用機械行程和限位開關(guān)來實現(xiàn)閥門開度的調(diào)節(jié)和限位控制，行程控制精度依賴于行程部件齒輪組的加工工藝和裝配水平，普遍存在著閥門定位精度不高的問題，而且機械式行程部件在進行閥位調(diào)試時，需要對電動執(zhí)行機構(gòu)進行開蓋操作，給工業(yè)現(xiàn)場安裝、調(diào)試及維護工作帶來極大的不便。光電編碼器是一種集光、機、電為一體的數(shù)字化位置檢測裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，光電編碼器應用于電動執(zhí)行機構(gòu)，是一種技術(shù)上的更新與突破，實現(xiàn)了電動執(zhí)行機構(gòu)的電子行程控制方式，大大提高了電動執(zhí)行機構(gòu)的行程精度。

2.設(shè)計原理

2.1 電子行程部件設(shè)計原理

電動執(zhí)行機構(gòu)控制器的內(nèi)部包含了位置信號感應裝置、力矩感應裝置、邏輯控制裝置以及數(shù)字通信模塊等控制模塊，各模塊電氣控制單元由主控制器CPU統(tǒng)一調(diào)用管理。如圖1所示，光電編碼器作為位置信號感應裝置部件，安裝在電動執(zhí)行機構(gòu)行程軸上，行程軸另一端通過齒輪聯(lián)接到蝸輪軸上，當電機開向或關(guān)向運行時，蝸桿直接帶動蝸輪旋轉(zhuǎn)，蝸輪的位移變化通過行程軸傳輸?shù)焦怆娋幋a器端，光電編碼器完成位移信號的檢測，檢測信號再經(jīng)過主控制器波形采集電路，由主控制器CPU讀取兩路脈沖信號，通過計算光電編碼器每秒種輸出的脈沖的個數(shù)，即可轉(zhuǎn)換成當前電機運行速度，此外，通過捕捉兩路相位相差900的脈沖信號，并在主控制器CPU的中斷程序里對兩路脈沖信號進行脈寬計數(shù)和脈沖波形變化判斷，可以對電動執(zhí)行機構(gòu)的運行速度、位移變化及旋轉(zhuǎn)方向做出判斷和處理。另外，在切除電動執(zhí)行機構(gòu)外部動力電源的情況下，手動旋轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)手輪時，光電編碼器仍能保持行程計數(shù)功能，電動執(zhí)行機構(gòu)具備斷電閥位保持功能。

2.2 光電編碼器設(shè)計

光電編碼器作為電子行程位置感應裝置，是一種集光、電一體，將旋轉(zhuǎn)位移、速度等物理量轉(zhuǎn)換成電信號的位置速度傳感器。光電編碼器采用相對編碼計數(shù)，輸出脈沖信號采用32位CPU芯片進行處理，使得電動執(zhí)行機構(gòu)可以應用于多回轉(zhuǎn)、大行程的閥門裝置中，根據(jù)DL/T 641-2005《電站閥門電動執(zhí)行機構(gòu)》標準要求，電動執(zhí)行機構(gòu)行程重復偏差（多回轉(zhuǎn)）≤±50，（部分回轉(zhuǎn)）≤±10。光電編碼器中光柵盤采用低線數(shù)45線設(shè)計，根據(jù)電動執(zhí)行機構(gòu)的機械傳動結(jié)構(gòu)，電動執(zhí)行機構(gòu)輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈時，產(chǎn)生脈沖個數(shù)為360個，使得電動執(zhí)行機構(gòu)的行程控制精度保持在1°，符合標準設(shè)計要求。

光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通45個長方形孔，光電檢測裝置由直射式紅外光電傳感器電路部分組成。圓形光柵盤（如圖2所示）安裝在直射式紅外光電傳感器當中，其中光柵盤每圈設(shè)計成45個筋，45個孔，光柵盤由電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時筋孔交替切割紅外傳感器，產(chǎn)生兩路類似正弦波的脈沖信號，經(jīng)整形電路對該波形處理，最終輸出兩路方波信號。光電編碼器安裝如圖3所示。

通過電動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部機械傳動結(jié)構(gòu)，當電機開、關(guān)向運行，閥位發(fā)生變化時，光柵盤同步進行旋轉(zhuǎn)運動，光電編碼器輸出兩路正交脈沖，圖4為光電編碼器脈沖信號圖。

3.設(shè)計分析

3.1 光編信號產(chǎn)生電路

光電編碼器波形產(chǎn)生電路如圖5所示。N2為光電傳感器，采用雙光電晶體管，光束中心間距為0.7mm，它們的節(jié)距和光柵盤上的節(jié)距相等，兩組透光縫隙錯開1/4節(jié)距，使得雙光電二極管輸出的脈沖信號在相位上相差90°電度角。波形采集電路輸入端電阻R1、R2阻值大小為330Ω，傳感器負載電阻R3、R4阻值大小為1.5kΩ。在光柵盤旋轉(zhuǎn)運行過程中，光電傳感器位置固定不動，光線透過光柵盤間斷、交替的穿過雙晶體管，產(chǎn)生兩路相位相差90度的脈沖信號。

3.2 光編信號采集電路

波形產(chǎn)生電路輸出的兩路脈沖信號，需要經(jīng)過整形電路進行波形整形，經(jīng)過思密特雙非門整形后，在三極管Q3、Q4集電極端輸出脈沖方波。波形整形電路如圖6所示。

3.3 光編信號采集電路

光電編碼器輸出的兩路位置檢測信號，經(jīng)過整形電路整形后，傳送至電動執(zhí)行機構(gòu)主控制器CPU端口，主CPU通過端口中斷方式，在兩路脈沖信號每次發(fā)生跳變時，會產(chǎn)生一次端口中斷，由CPU中斷處理程序完成一次脈沖信號的計數(shù)和方向判斷。光電編碼器結(jié)構(gòu)簡單，信號穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理比較容易，但由于在主電源斷電情況下，需要電池供電保持閥位計數(shù)，一旦電池電壓過低或無法供電，電動執(zhí)行機構(gòu)閥位容易丟失，給現(xiàn)場生產(chǎn)運行帶來不便。所以在光編信號采集電路中設(shè)計了電池省電方式，當主電源停止供電時，主CPU自動切換至低功耗工作方式，同時關(guān)閉光電編碼器供電電源，為保證主電源斷電過程中閥位計數(shù)功能，采用20mS定時喚醒方式，每隔20mS打開一次光電編碼器電源開關(guān)，判斷閥位是否發(fā)生變化。圖7為光編信號采集電路，在正常運行狀態(tài)下，BMQ_C引腳輸出低電平，三極管Q102導通，V9XX為光電編碼器供電，當主電源停止供電時BMQ_C引腳輸出高電平，三極管Q102關(guān)閉，光電編碼器供電電源斷開，進入省電模式。

在光編信號采集電路中，主控制CPU通過采集兩路脈沖信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和方向判斷，計算出當前閥位狀態(tài)，然后通過串行總線，將閥位數(shù)據(jù)傳送至人機對話模塊，通過人機界面顯示出當前閥位狀態(tài)。

4.應用分析

4.1 應用中出現(xiàn)的問題

電動執(zhí)行機構(gòu)輸出軸轉(zhuǎn)速范圍一般為5r/m至160r/m。不同規(guī)格型號的電動執(zhí)行機構(gòu)，其轉(zhuǎn)速相差較大，對于高轉(zhuǎn)速型電動執(zhí)行機構(gòu)，由于輸出軸輸出速度較快，從而使光電編碼器的光柵盤隨之高速旋轉(zhuǎn)，使得光電編碼器輸出的波形受到雙二極管通斷速度的影響，波形變?yōu)椴焕硐氲拿}沖方波，導致光電編碼器在高速運行時出現(xiàn)性能不穩(wěn)定情況。

4.2 問題分析

為解決此故障現(xiàn)象，需從光電編碼器電路設(shè)計上進行原理分析。圖8、圖9、圖10為不同條件下（波形產(chǎn)生電路R3、R4阻值變化）的波形采集圖。

由以上采集波形可以看出，光電編碼器輸出端信號的下降沿隨著信號產(chǎn)生電路上R3、R4阻值的增大變得越來越平緩，經(jīng)過雙非門U1整形后，光電編碼器輸出端波形的高電平寬度變寬，低電平寬度變窄，這是因為在5V供電條件下，雙非門U1的高電平門檻電壓VT+約為3V，低電平門檻電壓VT-約為1.7V，如圖11雙非門工作原理圖所示，所以當光電編碼器輸出端信號的下降沿越來越平緩時，電壓下降時間也隨之增加，雙非門U1的輸出端信號的低電平時間會變長，即低電平寬度變寬，高電平寬度變窄，雙非門U1的輸出端信號還要經(jīng)過一個三極管反向后輸出到光電編碼器輸出端，所以，此時編碼器輸出端信號的高電平寬度就變寬，低電平寬度就變窄了，受此影響，光電編碼器兩路輸出信號形成的相交脈沖信號也比較窄，這樣就很容易造成光編信號采集端信號采集困難或造成脈沖信號丟失，其次，從圖中數(shù)據(jù)分析，當R3=R4=5.1K時，相交脈沖信號間隔時間大約為50us，此時光柵盤轉(zhuǎn)速約為1875r/m，當轉(zhuǎn)速達到2500r/m甚至更高時，間隔時間更短，從而影響CPU中斷讀取時間，造成數(shù)據(jù)丟失。由此分析，傳感器輸出端電阻R3、R4阻值取值不能太大。

另外，根據(jù)電路分析及采集信號圖，光電編碼器器輸出端信號的電壓峰值隨著R3、R4阻值的減小而變小，由圖8可以看到，當R3=1K，R4=1K時，VR3、VR4約為4.1V，而從實驗過程中發(fā)現(xiàn)，R3=1K，R4=1K時，VR3、VR4有時不能達到2.7V，即達不到雙非門U1的門檻電壓VT+，所以會造成光電編碼器沒有信號輸出，在同樣的條件下之所以會出現(xiàn)兩種不同的結(jié)果，是因為器件的離散性造成的，因為從上述波形圖中可以看出，傳感器的輸出信號為模擬信號，所以傳感器的輸出效果跟器件本身有很大的關(guān)系，即同一器件在同一條件下有可能產(chǎn)生不同的模擬信號，從雙非門U1輸出端的信號就會隨之變化，如果相差較大，那么得到的結(jié)果也會有較大區(qū)別。由此分析，傳感器輸出端電阻R3、R4阻值取值也不能太小。另外在圖9、圖10中可以觀察到，當R3=2.2K，R4=2.2K時，VR3、VR4約為4.4V，R3、R4取值大于2.2K時，VR3、VR4也都約為4.5V。

綜合分析考慮，為適應高速型電動執(zhí)行機構(gòu)和不同的電源供電方式（5VDC、3.3.VDC），光電編碼器信號產(chǎn)生電路R3、R4阻值大小設(shè)置為1.5K較為合適。

5.結(jié)論

通過采用光電編碼器作為電動執(zhí)行機構(gòu)行程檢測部件，使電動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)了電子式行程設(shè)計，提高了閥門行程精度和閥位分辨率，實現(xiàn)了閥門的精確定位，有效的簡化了電動執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)試過程，提高了現(xiàn)場調(diào)試效率，方便了現(xiàn)場維護，適應了現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)水平高速發(fā)展的要求。

參考文獻

[1]潘琢金.C8051F340全速USB FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[S].2006.

[2]馬忠梅.單片機的C語言應用程序設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

光電編碼器范文第4篇

【關(guān)鍵詞】 煤礦 DSP 光電編碼器 電機 速度檢測

近年來，隨著我國推進小煤礦的資源整合與兼并重組工作，加快礦井的機械化改造步伐，有力的提升了煤礦安全生產(chǎn)保障水平，極大的促進了煤礦安全生產(chǎn)形勢的好轉(zhuǎn)。但煤礦兼并重組、整合技改工作地區(qū)間進展不平衡，部分整合技改煤礦違規(guī)生產(chǎn)或以整合技改名義逃避關(guān)閉。煤礦兼并重組、整合技改過程中隱患大量存在，瓦斯等可可燃性氣體遇到火花容易引起爆炸，安全生產(chǎn)事故時有發(fā)生。煤礦安全生產(chǎn)形勢對井下輸變電和生產(chǎn)設(shè)備性能提出更嚴格的要求，尤其是提升運輸和搶險救援設(shè)備。礦用隔爆型電機是煤礦井下提升運輸、采掘和搶險救援的動力來源，開展礦用隔爆型電機運行速度檢測技術(shù)的研究，對于提升煤礦設(shè)備的可靠性、排除安全隱患、減小生產(chǎn)事故發(fā)生和保障人民生命財產(chǎn)安全具有重要的意義。

一、數(shù)字信號處理器

從TI公司在1982-1983年推出TMS系列數(shù)字信號處理器（DSP）第一代產(chǎn)品到今天的TMS320C2000/5000/6000產(chǎn)品系列，TI公司的DSP的處理速度不斷提高、結(jié)構(gòu)更加合理、性能更加優(yōu)越，DSP系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境也不斷完善。TMS320C2000系列DSP集成微控制器和高性能DSP的特點，整合了Flash存儲器、事件管理器、增強型CAN模塊、快速的A/D轉(zhuǎn)換器、正交編碼電路接口及多通道緩沖串口等外設(shè)，具有強大的控制和信號處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的控制算法。在281x DSP上有兩個事件管理器EVA和EVB，它們是數(shù)字電機控制時使用較多的重要外設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)機電設(shè)備控制的各種功能。

每個事件管理器中包括定時器、比較器、PWM邏輯電路、捕捉單元正交編碼脈沖電路及中斷邏輯電路，省去了外部死區(qū)控制邏輯和外部速度/定位傳感器邏輯，降低了CPU的開銷，提高了系統(tǒng)的可靠性。

二、光電編碼器

光電編碼器是利用光電轉(zhuǎn)換原理將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置組成，光柵盤上等分若干長方形小孔，檢測系統(tǒng)中光電盤與被檢測物同軸，被檢測物旋轉(zhuǎn)代動光電盤同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過發(fā)光二極管等電子元器件組成的檢測裝置檢測若干脈沖信號，通過計算光電編碼器每秒輸出的脈沖數(shù)就能反映當前電機的轉(zhuǎn)速。

另外，光電編碼器提供相位相差90°的兩個通道信號輸出，系統(tǒng)可以根據(jù)雙通道光碼狀態(tài)的變化來判斷電機的轉(zhuǎn)向。根據(jù)刻度方法及信號輸出形式，光電編碼器分為增量式、絕對式和混合式三種。

系統(tǒng)選用歐姆龍公司生產(chǎn)的E6B2-CWZ3E型光電編碼器作為礦用隔爆型電機速度和方向檢測器件，該傳感器利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出A、B和Z相三路方波脈沖信號。A相、B相兩路信號之間互差90°，用來檢測電機的速度和方向。該傳感器具體參數(shù)如表1所示。

三、DSP與編碼器接口電路

DSP芯片的每個事件管理器模塊都有一個正交編碼脈沖（QEP）電路，當QEP電路被使能時， DSP可以對CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（對于EVA）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（對于EVB）引腳上的正交編碼脈沖進行解碼和計數(shù)。QEP電路可以用于連接光電編碼器，獲得礦用隔爆型電機的旋轉(zhuǎn)方向和速度信息。

在使能QEP電路時，CAP1/CAP2和CAP4/CAP5引腳的捕捉功能被禁止。QEP單元通過信號轉(zhuǎn)換單元與安裝在電機主軸上的增量式光電編碼器相連接，DSP對正交編碼脈沖信號進行譯碼和計數(shù)，通過中斷程序?qū)崿F(xiàn)對礦用隔爆型電機速度、向等參數(shù)的計算和存儲。

光電編碼器輸出信號為5V的方波信號，而DSP可接收的電壓最大為3.3V，所以需要設(shè)計信號轉(zhuǎn)換電路將5V的方波信號轉(zhuǎn)換成DSP可接收的信號。5V方波信號經(jīng)過電容濾除雜波和快速光耦6N137隔離，在通過雙電壓比較器LM393轉(zhuǎn)換成DSP可以接收的脈沖信號。LM393比較器的參考電壓為1.8V，當輸入端電壓大于比較器參考電壓時，比較器輸出高電平。

5V穩(wěn)壓電源經(jīng)過輸出電壓可調(diào)的集成三端穩(wěn)壓器LM317轉(zhuǎn)換后為比較器提供工作電源，比較器輸出DSP可識別的脈沖信號，信號轉(zhuǎn)換電路如圖1所示。

四、結(jié)論

結(jié)合我國煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀，將DSP和光電編碼器有機結(jié)合在一起，設(shè)計礦用隔爆型電機速度檢測系統(tǒng)。光電編碼器經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路傳遞給DSP的正交編碼脈沖單元，DSP根據(jù)雙脈沖的先后順序和脈沖頻率經(jīng)過內(nèi)部處理可以得到電機的方向和速度。

檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性很高、實時性好，能夠?qū)崿F(xiàn)礦用隔爆型電機速度實時檢測，滿足預期設(shè)計要求。

參 考 文 獻

[1] 國家安全監(jiān)管總局 國家煤礦安監(jiān)局.關(guān)于進一步加強煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察工作的通知.〔2012〕130號.

[2] 李劍峰.高可靠性可編程水泵監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤礦機械，2009，（11）：127.

光電編碼器范文第5篇

圖1中的系統(tǒng)是傳統(tǒng)的帶PID調(diào)節(jié)的直流伺服速度控制系統(tǒng)。對于控制精度較低的產(chǎn)品雖能滿足要求。但對于精度要求高的場合就不能適應了。這是因為：當電機運轉(zhuǎn)一段時間后，電機溫度隨著工作時間加長而不斷上升，而反饋元件（測速發(fā)電機）與伺服電機同軸連接，故測速發(fā)電機的溫度也隨之升高。因為測速發(fā)電機是用永磁磁缸制成，其轉(zhuǎn)子線圈切割磁力線而產(chǎn)生電勢，其值為：

Ea=εa∝N

式中Ea為測速機輸出電勢

εa為測速機電勢常數(shù)

N為電機轉(zhuǎn)速

一般情況下，εa是個常數(shù)，測速發(fā)電機產(chǎn)生的電勢Ea正比于轉(zhuǎn)速N。而實際上電機溫度上升后εa已經(jīng)發(fā)生了變化，通常情況下是下降的，εa變小，故Ea也變小。而此時電機轉(zhuǎn)速并未下降，反饋到速度環(huán)的電壓Δu隨之上升，促使電機轉(zhuǎn)速上升，迫使Ea上升，從而達到Δu維持不變。這樣，隨著電機溫度上升，電機的速度也慢慢上升，而給定值并未改變，這就引起電機轉(zhuǎn)速的誤差增大。根據(jù)實際測量一般電機溫度每上升100℃，電機轉(zhuǎn)速的誤差會增大1－3%左右。電機轉(zhuǎn)速越低，相對誤差越大。

為了糾正電機轉(zhuǎn)速的偏差，采用600線/轉(zhuǎn)的光電編碼器作反饋元件，與電機同軸安裝，就可以準確測出電機的轉(zhuǎn)速。因為光電編碼器是由激光照射光珊發(fā)出脈沖的，而光珊安裝在光電編碼器的轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周（3600）編碼器就產(chǎn)生600個脈沖，該脈沖只與轉(zhuǎn)軸速度有關(guān)，而與溫度無關(guān)。因此，只要準確測出光電編碼器的脈沖個數(shù)，就可確切知道電機的轉(zhuǎn)速。

例如，當電機的轉(zhuǎn)速ND=1000轉(zhuǎn)/分，則每秒鐘光電編碼器的脈沖個數(shù)應為

n光=1000*600/60

=10000（個脈沖）

若

ND=1轉(zhuǎn)/分

n光=1*600/60=10（個）

如果實際測量值與上述理論計算值有偏差，則可以通過調(diào)節(jié)D/A輸出電壓調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，最終使

Δn=ND測-ND理

這樣就可以將電機的轉(zhuǎn)速控制在我們所希望的誤差范圍內(nèi)。

2元器件的選擇；

2．1伺服系統(tǒng)（速度環(huán)）選用SC5HC60型直流脈寬伺服系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達1：10000以上，速度精度為0.5%FS。

2．2電機選用稀土直流寬調(diào)速伺服測速機組,與伺服系統(tǒng)構(gòu)成速度閉環(huán)系統(tǒng)。

2．3D/A器件選用分辨率為16位串行D/A?？刂凭€為三線串行方式，即：一根時鐘線，一根數(shù)據(jù)線，一根選通線。

2．4光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出600個脈沖，五線制。其中兩根為電源線，三根為脈沖線(A、B、Z)。電源的工作電壓為+5～+24V直流電源。

工作原理:當光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動時A、B兩根線都產(chǎn)生脈沖輸出,A、B兩相脈沖相差900相位角，由此可測出光電編碼器轉(zhuǎn)動方向與電機轉(zhuǎn)速。如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn),否則為反轉(zhuǎn).Z線為零脈沖線,光電編碼器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個脈沖.主要用作計數(shù)。A線用來測量脈沖個數(shù),B線與A線配合可測量出轉(zhuǎn)動方向.

2．5單片機選用89C51-24PC單片機，晶振頻率為24MHz，用一個定時器作計數(shù)器來測量光電編碼器的脈沖個數(shù)，另一個定時器精確定時，這樣可準確測出電機每秒鐘轉(zhuǎn)動的距離，同時根據(jù)設(shè)定值計算出電機每秒鐘應轉(zhuǎn)動的理論值并與測量值進行比較,將誤差值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出到D/A芯片的輸入端，從而改變其電壓輸出，送給伺服系統(tǒng)控制電機的轉(zhuǎn)速,從而達到恒速的目的。

例如:要將電機控制在500轉(zhuǎn)/分,根據(jù)伺服系統(tǒng)的指標,當輸入為0～5V信號時,電機轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分,故可求得當ND=500轉(zhuǎn)/分時，光碼盤每秒鐘輸出的脈沖數(shù)為：

PD=500×600/60=5000個脈沖

對應該轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)的輸入電壓應為：

VD=5.000×500/1500=1.6666V

當測出的脈沖個數(shù)與計算出的標準值有偏差時,可根據(jù)電壓與脈沖個數(shù)的對應關(guān)系計算出輸出給伺服系統(tǒng)的增量電壓U:

U=P×5.000/(1500×600/60)=P/3000(V)

而輸出到D/A的數(shù)字量的增量應為:

D=U×216/5.000

電機的整個工作調(diào)節(jié)過程如下:

工作前通過鍵盤設(shè)定控制轉(zhuǎn)速,計算出輸出電壓VD并將該電壓對應的輸出到D/A的數(shù)字量V數(shù)=VD×216/5.000算出,直接送給D/A,電機開始起動運轉(zhuǎn)。當電機運轉(zhuǎn)一段時間后電機轉(zhuǎn)速不斷上升從而導致測速機磁性下降，測速機輸出電勢下降，經(jīng)速度環(huán)調(diào)整后使電機轉(zhuǎn)速上升，運行時間越長，電機轉(zhuǎn)速上升越多。這時系統(tǒng)起動位置環(huán)，通過不斷測量光電編碼器每秒鐘輸出的脈沖個數(shù)，并與標準值PD進行比較，計算出增量P并將之轉(zhuǎn)換成對應的D/A輸出數(shù)字量，在原來輸出電壓的基礎(chǔ)上減去增量，迫使電機轉(zhuǎn)速降下來，當測出的P近似為零時停止調(diào)節(jié)，這樣可將電機轉(zhuǎn)速始終控制在允許的范圍內(nèi)。

3硬件電路的實現(xiàn)

實際工作中由于伺服系

統(tǒng)工作電流較大，對于微機干擾較大，故在硬件電路設(shè)計時應考慮到系統(tǒng)的隔離和干擾問題。由于選用的是串行D/A。信號的傳輸只用三根線，故采取隔離措施相對容易些。而光電編碼器工作也容易受到干擾，因此除了正常的接地外，還要將光電編碼器輸出線中的地線可靠接地。光電編碼器的A線做脈沖檢測用，Z線作計數(shù)器用，速度輸入用鍵盤輸入數(shù)字，顯示用液晶顯示器。

4軟件

根據(jù)電路的連接情況，采用匯編語言編寫了整個程序?，F(xiàn)將部分闡述如下：

4．1初始化

初始化內(nèi)容包括定時器、中斷系統(tǒng)及個單元內(nèi)容的初始化

HSTART:MOVSP,#0E0H;設(shè)置堆棧頂?shù)刂?/p>

MOVIE,#90H；開中斷及串行口中斷允許

MOVIP,#5；將定時器1和串口中斷設(shè)置高優(yōu)先權(quán)

MOVTCON,#5;外中斷0和外中斷1全部為邊沿觸發(fā)方式

MOVTMOD,#21H;定時器0為方式1定時器2為方式2

MOVPCON,#0；SMOD=0

MOVSCON,#0D8H;串口設(shè)置成方式3,TB8=1,REN=1

MOVTH1,#0FDH;設(shè)定定時器1重裝時間常數(shù)

MOVTL1,#0FDH

CLRET1

SETBREN

SETBES

MOVTH0,#2CH

MOVTL0,#0

SETBTR0

SETBTR1

……

4．2定時器0中斷子程序

CLOCK0:CLRET0;保護現(xiàn)場指令

MOVTH0,#2CH;重置時間常數(shù)

MOVTL0,#0

INCQSE0

MOVA,#14H;判別1秒鐘定時到否

CJNEA,QSE0,HCLZ

MOVQSE0,#0;計數(shù)器清零

MOVA,QSEC

ADDA,#1;秒單元加1

DAA

MOVQSEC,A

MOVA,#5

CJNEA,QSEC,HCLZ;判5秒鐘到否

MOVQSEC,#0;秒單元清零

CLREX0;關(guān)中斷0停止計數(shù)

HCLZ:恢復現(xiàn)場指令

SETBET0

RETI;中斷返回

4．3中斷0計數(shù)程序

POST1:CLREX0

保護現(xiàn)場指令

MOVA,QLLD;計數(shù)器低位加1

ADDA,#1

MOVQLLD,A

MOVA,QLLD+1

ADDCA,#0

MOVQLLD+1,A

恢復現(xiàn)場指令

SETBEX0

RETI