基于FPGA增量式編碼器的接口設計與實(shí)現

摘要 光電增量式編碼器，又稱(chēng)光電角位置傳感器，是電氣傳動(dòng)系統中用來(lái)測量電動(dòng)機轉速和轉子位置的核心部件。分析了光電編碼器4倍頻原理，提出了一種基于可縞程邏輯器件FPGA對光電增量式編碼器輸出信號4倍頻、鑒相、計數的具體方法，它對提高編碼器分辨率與實(shí)現高精度、高穩定性的信號檢測及位置伺服控制具有一定的現實(shí)意義。經(jīng)實(shí)際項目論證，該方案在保證測量精度的前提下，可以有效濾除噪聲干擾和消除抖動(dòng)，增強了系統的干擾抑制和容錯能力，可移植性強，便于系統升級。
關(guān)鍵詞 FPGA；增量式光電編碼器；4倍頻；鑒相

光電編碼器在現代電機控制系統中常用以檢測轉子的位置與速度，是通過(guò)光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數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、輸出穩定等特點(diǎn)，被廣泛應用于電機伺服控制系統中。
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數字量可與PC機、ARM或FPGA等器件直接接口，無(wú)累積誤差等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格高、制造工藝復雜，不宜實(shí)現小型化。增量式光電編碼器不具有計數和接口電路，一般輸出A、B、Z脈沖信號，價(jià)格較低，在實(shí)際工程中比較常用。
文中設計了一個(gè)基于FPGA的簡(jiǎn)單且精度高的接口電路，其結構簡(jiǎn)單、性能可靠。具有濾波、硬件辨向、4倍頻計數和數據鎖存等功能。計數結果以并口輸出，可與PC機、ARM或FPGA等部件進(jìn)行并行通信。同時(shí)在并口之前，用鎖存電路來(lái)消除硬件電路延時(shí)所可能引起韻計數錯誤，減輕了后續微機的負擔，可提高被控對象的測量和控制精度。

1 4倍頻電路設計原理
增量式光電編碼器實(shí)際是一種旋轉式角位移檢測裝置，它根據軸所轉過(guò)的角度，輸出一系列脈沖，能將機械轉角變換成電脈沖，輸出信號如圖1所示。A、B兩相信號是相位相差90°的正交方波脈沖串，每個(gè)脈沖代表被測對象旋轉了一定的角度，A、B之間的相位關(guān)系則反映了被測對象的旋轉方向，即當A相超前B相，轉動(dòng)方向為正轉；當B相超前A相，轉動(dòng)方向為反轉。Z信號是一個(gè)代表零位的脈沖信號，可用于調零、對位和重置計數器。

對于每個(gè)確定的編碼器，每轉過(guò)固定角位移θ，就對應一個(gè)脈沖信號，故其量化誤差為θ／2。若將A或B信號4倍頻，則在此θ角位移內，就會(huì )產(chǎn)生4個(gè)脈沖信號，其量化誤差下降為0／8，光電編碼器的角位移測量精度提高4倍。由于伺服系統中編碼器的轉速具有不可預見(jiàn)性，造成脈沖周期r具有不確定的特點(diǎn)，從而無(wú)法使用鎖相環(huán)等常用倍頻方案。由圖1可知，在脈沖周期內，A、B兩相信號共產(chǎn)生4次變化，盡管T不確定，但由于A(yíng)、B兩相方波信號之間相位關(guān)系確定，使這4次變化在相位上平均分布。如果利用這4次變化產(chǎn)生4倍頻信號，則可以實(shí)現光電編碼器測量精度的提高。
分析發(fā)現，4倍頻設計的關(guān)鍵在于鑒別出A、B信號的上升沿和下降沿。輸入信號與其延時(shí)信號異或后，就可得到倍頻信號。

2 接口電路的FPGA總體方案及設計實(shí)現
光電編碼器的可靠性與精度直接決定了控制系統的可靠性與控制精度?？刂葡到y精度不會(huì )高于檢測元件的精度，也就是說(shuō)檢測元件的誤差是決定控制系統穩態(tài)誤差的關(guān)鍵，這種誤差也是控制系統無(wú)法克服的。因此，選擇和設計高精度的光電編碼器固然重要，但后續電路對光電編碼器輸出脈沖的處理精度也不容忽視。因此，一方面要選擇精度高的光電編碼器；另一方面要重視對光電編碼器輸出脈沖的處理，傳統的處理方法有3種：(1)通過(guò)74LS193、74LS171、RC等搭建一個(gè)硬件電路實(shí)現脈沖的倍頻和鑒相的判斷。(2)直接將光電編碼器的A、B信號送至微處理器，進(jìn)行純軟件的倍頻和鑒相的判別。(3)通過(guò)硬件電路和軟件結合的方法進(jìn)行光電編碼器脈沖的處理，一般是指上述兩種方法的結合。