光電編碼器在電機控制系統中的應用

概述：電機的位置檢測在電機控制中是十分重要的，特別是需要根據精確轉子位置控制電機運動(dòng)狀態(tài)的應用場(chǎng)合，如位置伺服系統。電機控制系統中的位置檢測通常有：微電機解算元件，光電元件，磁敏元件，電磁感應元件等。這些位置檢測傳感器或者與電機的非負載端同軸連接，或者直接安裝在電機的特定的部位。其中光電元件的測量精度較高，能夠準確的反應電機的轉子的機械位置，從而間接的反映出與電機連接的機械負載的準確的機械位置，從而達到精確控制電機位置的目的。在本文中我將主要介紹高精度的光電編碼器的內部結構、工作原理與位置檢測的方法。

一、光電編碼器的介紹：

　　光電編碼器是通過(guò)讀取光電編碼盤(pán)上的圖案或編碼信息來(lái)表示與光電編碼器相連的電機轉子的位置信息的。根據光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結構與工作原理做介紹。

　?。ㄒ唬?、絕對式光電編碼器

　　絕對式光電編碼器如圖所示，他是通過(guò)讀取編碼盤(pán)上的二進(jìn)制的編碼信息來(lái)表示絕對位置信息的。

　　編碼盤(pán)是按照一定的編碼形式制成的圓盤(pán)。圖1是二進(jìn)制的編碼盤(pán)，圖中空白部分是透光的，用“0”來(lái)表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”來(lái)表示。通常將組成編碼的圈稱(chēng)為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制數的一位，其中最外側的是最低位，最里側的是最高位。如果編碼盤(pán)有4個(gè)碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的23、22、21和20，4位二進(jìn)制可形成16個(gè)二進(jìn)制數，因此就將圓盤(pán)劃分16個(gè)扇區，每個(gè)扇區對應一個(gè)4位二進(jìn)制數，如0000、0001、…、1111。

圖1

　　按照碼盤(pán)上形成的碼道配置相應的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤(pán)、光敏二極管和驅動(dòng)電子線(xiàn)路。當碼盤(pán)轉到一定的角度時(shí)，扇區中透光的碼道對應的光敏二極管導通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對應的光敏二極管不導通，輸出高電平“1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區的位置腳。

　?。ǘ?、增量式光電編碼器

　　增量式光電編碼器是碼盤(pán)隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號，然后根據位置變化的方向用計數器對脈沖進(jìn)行加/減計數，以此達到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤(pán)、鑒向盤(pán)、光敏元件和電子線(xiàn)路組成。

　　增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉軸轉動(dòng)帶動(dòng)在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤(pán)旋轉，在主光柵碼盤(pán)的上面有與其平行的鑒向盤(pán)，在鑒向盤(pán)上有兩條彼此錯開(kāi)90o相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤(pán)透過(guò)來(lái)的信號。工作時(shí)，鑒向盤(pán)不動(dòng)，主光柵碼盤(pán)隨轉子旋轉，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤(pán)，通過(guò)主光柵碼盤(pán)和鑒向盤(pán)后由光敏二極管接收相位差90o的近似正弦信號，再由邏輯電路形成轉向信號和計數脈沖信號。為了獲得絕對位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測電機的位置和速度。

二、光電編碼器的測量方法：

　　光電編碼器在電機控制中可以用來(lái)測量電機轉子的磁場(chǎng)位置和機械位置以及轉子的磁場(chǎng)和機械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應用方法做一下介紹。

　?。ㄒ唬?、使用光電編碼器來(lái)測量電機的轉速

　　可以利用定時(shí)器/計數器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來(lái)測量電機的轉速。具體的測速方法有M法、T法和M/T法3種。

　　M法又稱(chēng)之為測頻法，其測速原理是在規定的檢測時(shí)間Tc內，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數的測速方法，如圖2所示，例如光電編碼器是N線(xiàn)的，則每旋轉一周可以有4N個(gè)脈沖，因為兩路脈沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號4倍頻?，F在假設檢測時(shí)間是Tc，計數器的記錄的脈沖數是M1，則電機的每分鐘的轉速為

　　在實(shí)際的測量中，時(shí)間Tc內的脈沖個(gè)數不一定正好是整數，而且存在最大半個(gè)脈沖的誤差。如果要求測量的誤差小于規定的范圍，比如說(shuō)是小于百分之一，那么M1就應該大于50。在一定的轉速下要增大檢測脈沖數M1以減小誤差，可以增大檢測時(shí)間Tc單考慮到實(shí)際的應用檢測時(shí)間很短，例如伺服系統中的測量速度用于反饋控制，一般應在0.01秒以下。由此可見(jiàn)，減小測量誤差的方法是采用高線(xiàn)數的光電編碼器。

　　M法測速適用于測量高轉速，因為對于給定的光電編碼器線(xiàn)數N機測量時(shí)間Tc條件下，轉速越高，計數脈沖M1越大，誤差也就越小。

　　T法也稱(chēng)之為測周法，該測速方法是在一個(gè)脈沖周期內對時(shí)鐘信號脈沖進(jìn)行計數的方法，如圖3所示。例如時(shí)鐘頻率為fclk,計數器記錄的脈沖數為M2，光電編碼器是N線(xiàn)的，每線(xiàn)輸出4N個(gè)脈沖，那么電機的每分鐘的轉速為

　　為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數，因此T法測速適用于低速運行的場(chǎng)合。但轉速太低，一個(gè)編碼器輸出脈沖的時(shí)間太長(cháng)，時(shí)鐘脈沖數會(huì )超過(guò)計數器最大計數值而產(chǎn)生溢出;另外，時(shí)間太長(cháng)也會(huì )影響控制的快速性。與M法測速一樣，選用線(xiàn)數較多的光電編碼器可以提高對電機轉速測量的快速性與精度。

　　M/T法測速是將M法和T法兩種方法結合在一起使用，在一定的時(shí)間范圍內，同時(shí)對光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數M1和M2進(jìn)行計數，則電機每分鐘的轉速為

　　實(shí)際工作時(shí)，在固定的Tc時(shí)間內對光電編碼器的脈沖計數，在第一個(gè)光電編碼器上升沿定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)，同時(shí)開(kāi)始記錄光電編碼器和時(shí)鐘脈沖數，定時(shí)器定時(shí)Tc時(shí)間到，對光電編碼器的脈沖停止計數，而在下一個(gè)光電編碼器的上升沿到來(lái)時(shí)刻，時(shí)鐘脈沖才停止記錄。采用M/T法既具有M法測速的高速優(yōu)點(diǎn)，又具有T法測速的低速的優(yōu)點(diǎn)，能夠覆蓋較廣的轉速范圍，測量的精度也較高，在電機的控制中有著(zhù)十分廣泛的應用。

　?。ǘ┦褂迷隽渴焦怆娋幋a器來(lái)判別電機轉速方向的原理

　　增量式光電編碼器輸出兩路相位相差90o的脈沖信號A和B，當電機正轉時(shí)，脈沖信號A的相位超前脈沖信號B的相位90o，此時(shí)邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號Dir。當電機反轉時(shí)，脈沖信號A的相位滯后脈沖信號B的相位90o，此時(shí)邏輯電路處理后的方向信號Dir為低電平。因此根據超前與滯后的關(guān)系可以確定電機的轉向。其轉速辯相的原理如圖4所示

圖4轉向判別原理圖

　?。ㄈ?、增量式光電編碼器的反饋脈沖的四倍頻原理

　　在使用增量式編碼器時(shí)，通過(guò)計相位相差90o的兩路正交脈沖信號A和B的上升沿與下降沿已達到將增量式編碼器的反饋脈沖四倍頻的目的。這樣在不增加增量式光電編碼器的線(xiàn)數的情況下，就可以獲得更精度高的位置脈沖信息，以實(shí)現對電機位置的精確控制。其工作原理與脈沖的相位關(guān)系如圖5所示

圖5 脈沖四倍頻相位關(guān)系圖

結束語(yǔ)：

　　光電式編碼器有著(zhù)良好的抗干擾特性與應用的可靠性，在電機控制這種有著(zhù)極高電磁感染的應用環(huán)境下有著(zhù)廣闊的應用前景。相信在不久的將來(lái)光電式編碼器一定會(huì )在電機控制領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。而我們對于光電式編碼器的研究也就顯得格外的重要。