光電編碼器的應(yīng)用_細分原理

1、第28卷第5期文章編號：1007-1180(2011)05-0001-05光電編碼器的應(yīng)用細分原理王顯軍，吳慶林（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）摘要：編碼器的光電信號經(jīng)過電路系統(tǒng)的處理，最終獲得代表測量角度的數(shù)據(jù)代碼。電路處理系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的是細分技術(shù)，它是編碼器電路處理系統(tǒng)技術(shù)中的專業(yè)技術(shù)。本文詳細介紹了一種細分原理和常用的實現(xiàn)方法，說明了編碼器測量基準光柵線數(shù)和編碼器代碼分辨力的關(guān)系，分析了細分誤差產(chǎn)生的原因。關(guān)鍵詞：光電編碼器；細分原理；細分精度中圖分類號：TP212文獻標識碼：ADOI：10.3788/OMEI20112805.00011引言單元要完成的

2、功能包括：信號放大、邏輯處理、譯碼、細分、校正、判向計數(shù)、坐標變換等3-4。在這些為了在應(yīng)用方案中選取合適的光電編碼器，需要了解其原理和特點。光電編碼器的分類源于角度測量基準1，增量式、絕對式和準絕對式的區(qū)別取決于采用光柵盤的編碼類型。測量基準光柵盤是編碼器的“核心元件”，為編碼器實現(xiàn)角度測量提供了基礎(chǔ)；光電信號掃描技術(shù)2是編碼器的“核心技術(shù)”，從角度測量基準光柵盤上提取了代表角度位置的光電信號；信號處理電路系統(tǒng)是編碼器的“關(guān)鍵技術(shù)”，實現(xiàn)了光電信號到測角數(shù)據(jù)代碼的轉(zhuǎn)換處理。編碼器的信號處理電路系統(tǒng)中經(jīng)常用到的電路單元包括電源、模擬放大電路、數(shù)字邏輯電路、單片機、接口等，這些均是通用的技術(shù)。電

3、路系統(tǒng)各功能當中，“細分”和“判向計數(shù)”技術(shù)是編碼器的專業(yè)技術(shù)。細分技術(shù)經(jīng)常被應(yīng)用到較高分辨力的編碼器產(chǎn)品中，屬于編碼器產(chǎn)品生產(chǎn)方的專業(yè)技術(shù)。判向計數(shù)則經(jīng)常被應(yīng)用到編碼器增量信號的后續(xù)數(shù)據(jù)處理中，屬于產(chǎn)品的應(yīng)用技術(shù)。目前，市場上絕大多數(shù)的增量式編碼器產(chǎn)品，接口通常只是提供方波A相和B相的計角增量信號，如果應(yīng)用系統(tǒng)采用這種產(chǎn)品做測角元件，需要采用判向計數(shù)的技術(shù)，才能將增量信號轉(zhuǎn)換成為測角數(shù)據(jù)代碼5-6。從應(yīng)用系統(tǒng)角度出發(fā)，對編碼器的電路處理系統(tǒng)，不必了解更多的細節(jié)，但是，了解細分技術(shù)的原2011第28卷第5期理是必要的。如果編碼器的分辨力指標要求比較高，多數(shù)情況下，要涉及到細分技術(shù)。2.2細分技

4、術(shù)原理在文獻2中介紹的光電掃描技術(shù)原理，說明了從基準光柵獲得正弦光電信號的方法。信號如圖1所示。00AA0BBb細分角度信號周期36002細分原理和實現(xiàn)方法2.1細分的目的在文獻1中介紹了編碼器的分類，無論絕對式還是增量式，基準光柵盤的最高分辨力碼道都是光柵，一黑一白的線紋周期寬度稱為光柵常量。目前，德國HEIDENHAIN公司的編碼器技術(shù)水平居世界領(lǐng)先地位，在其產(chǎn)品系列中，光柵常量達到了4m。高于光柵常量的測角數(shù)據(jù)是由細分技術(shù)解決的。3600AmHEIDENHAIN公司的RCN829型角度編碼器7，測角分辨力為29bits（536870912位置數(shù)/圈），線數(shù)為32768。這其中的“線數(shù)”指

5、的是編碼器最高分辨力碼道所采用的光柵是32768對線，等于215，即15bits。由此可見，RCN829編碼器細分份數(shù)為圖1光柵掃描信號波形圖相位差90o的兩路正弦信號A和B，可以用如下兩個函數(shù)表示：i=2214。細分技術(shù)提高了編碼器的分辨力和測角精度。當然，低分辨力要求的產(chǎn)品無需細分。德國HEIDENHAIN公司、英國RENISHAW公司的產(chǎn)品，在其選型指南中，明示了基準光柵的線數(shù)。國內(nèi)的產(chǎn)品，尤其是較高分辨力的絕對式編碼器，向用戶明示基準光柵線數(shù)的情況較少。通常情況下，同等分辨力指標的產(chǎn)品，基準光柵線數(shù)越多，最終產(chǎn)品精度越高。基準光柵線數(shù)和編碼器代碼分辨力的關(guān)系是：同樣的直徑條件下，線數(shù)越

6、多，光柵線紋密度越大?；鶞使鈻诺木幋a圖案只是理想的圖案，將這個圖案制作到碼盤上的技術(shù)水平的高低，表明了在行業(yè)中的技術(shù)地位，也決定了在該領(lǐng)域內(nèi)的產(chǎn)品水平。顯然，光柵線紋密度越大越難制作，產(chǎn)品的成本也越高?；鶞使鈻诺目虅澐直媪途仍礁撸a(chǎn)品的分辨力和精度越高?；鶞使鈻虐母呔葴y角信息，通過信號掃描技術(shù)體現(xiàn)在正弦光電信號中，再通過細分處理，獲得了最終的測角數(shù)據(jù)代碼。細分在測量基準光柵分辨率基礎(chǔ)上，提高了編碼器產(chǎn)品的最終測角分辨力。A=A0+Amsin(+)+Aisin(ii)+eai=2（1）（2）B=B0+Bmcos(+b)+Bicos(iib)+ebi=2其中，A0和B0為直流分量；Am和

7、Bm為基波信號的幅值；-b為兩信號的相位差；Asin(i)和iii=2Bcos(i)分別為兩路信號高次諧波分量的總iibi=2和；e為電噪聲。假設(shè)信號中的直流分量A0和B0相同且等于0，基波信號的幅值A(chǔ)m和Bm相同且等于1，兩路信號的相位差90o，高次諧波分量相同且等于0，電噪聲相同且等于0。則上述A、B兩路信號可以簡化為：A=sinB=cos由式（3）和式（4）推導(dǎo)得出：（3）（4）A=sin=tg=arctg（A/B）由此計算出細分角度，這就是“細分原理”。（5）如圖1所示，在式（5）中，A是角度位置2011第28卷第5期sin信號a點參考直流分量A0的幅度值；B是角度位置cos信號b點參

8、考直流分量B0的幅度值?；诠剑?）原理的細分方法是編碼器生產(chǎn)方常用的方法。我們把這種對信號進行采樣、然后分析采樣數(shù)據(jù)獲得細分角度的方法，稱作“采樣細分”?；诠剑?）原理的方法是采樣細分的一種。另外，還有很多細分方法，如幅值分割細分方法（也屬于采樣細分），電阻鏈移相細分方法等8-9，本文不再贅述。為了分得更細、更精，開發(fā)人員一直在努力。我們在細分技術(shù)的研究上，雖然也能做到16384份細分，但處理速度、精度等方面，與國際先進水平相比有較大的差距。3細分精度分析在兩路正弦信號A和B的表達式（1）和（2）中，A0和B0為直流分量，是造成直流分量誤差的來源；Am和Bm為基波信號的幅值，是造成信號

9、幅值誤差的來源；兩路信號的相位差是造成相位誤差的來源；由表示的諧波分量總和是造成諧波分量誤i=22.3實現(xiàn)方法圖2為細分硬件原理，細分處理主要分三大部分：信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字運算。RfAVrRRv-C+RfRVrRv-+C放大器圖2細分硬件原理圖差的來源；e為電噪聲，是噪聲誤差的來源；另外，由于編碼器角度數(shù)據(jù)由數(shù)字代碼表示，是量化誤差A(yù)BA/D單片機的來源。源自公式r=arctg(A/B)的細分原理，r為細分角度的理論值，由于誤差必然存在，實際的細分角度用d=r+d表示，d是誤差。以下僅介紹誤差產(chǎn)生的原因，詳細的定量分析請參閱文獻10。B3.1直流分量誤差直流分量即信號波形表達式（1）和

10、（2）中的放大器部分的可變電阻Rf表示對正弦信號幅值的調(diào)整，結(jié)果使兩路幅值相等。Rv表示對信號直流量的調(diào)整。電容C起濾波作用，用于控制噪聲。信號相位和波形諧波的質(zhì)量主要取決于光電掃描技術(shù)；A0和B0，由于信號相差90°，采用李沙育圖形分析信號比較方便。A0和B0體現(xiàn)在李沙育圖形中即是“圓心”的X軸和Y軸坐標。忽略其他分量的影響，標準的正、余弦信號李沙育圖形為圓，如圖3直流分量誤差示意圖所示。YddrMXPA/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；單片機輸入數(shù)字量，按細分原理計算細分角度。依據(jù)不同的細分原理，各自有對應(yīng)的處理實現(xiàn)方法。具體應(yīng)用中，為了滿足不同的要求，會采用更多的處理環(huán)節(jié)，也會

11、有某些省略。例如，相位補償、幅值自動調(diào)整、數(shù)字濾波技術(shù)等。總之，細分技術(shù)是高精度編碼器的關(guān)鍵技術(shù)，這項技術(shù)也體現(xiàn)在產(chǎn)品價值當中，RENISHAW的一種1000細分的電路模塊，價值四千多元人民幣。國內(nèi)的編碼器，細分單元一般集成到電路系統(tǒng)當中。rdaRCN829型角度編碼器的細分達到16384份，圖3直流分量誤差示意圖2011第28卷第5期半徑r即基波信號幅值A(chǔ)m，O點為理論信號的圓心。由于誤差的存在，采樣計算參考點O與O點不相符。當位置在P點時，真值位置角度為POM=r，采樣細分計算的角度POX=r，因此，產(chǎn)生直流分量誤差角度d。應(yīng)當與圖示橫軸交于90點。實際上，誤差使B信號與橫軸交點偏離90點

12、，如圖所示，B信號與橫軸交點提前到d點。在d點B信號等于0，按公式（5）計算細分角度d=90°。顯然有誤差d90，因此，產(chǎn)生正交相位誤差。3.2幅值誤差幅值分量即信號波形表達式中的Am和Bm，體現(xiàn)在李沙育圖形中即為圓的X軸和Y軸振幅。忽略其他分量的影響，由于信號幅值不相等，正、余弦信號李沙育圖形為扁圓，如圖4所示。YdrrrOdMP3.4諧波誤差和噪聲誤差由于諧波的作用使信號正弦度不夠純，使實際采樣信號偏離信號基波理論值。同樣，噪聲也使實際采樣信號偏離信號基波理論值。顯而易見，用公式（5）計算細分角度理論值：r=arctg(A/B)，由于諧波和噪聲的共同作用產(chǎn)生誤差，設(shè)A信號偏移量為

13、a，B信號偏移量為b，采樣細分計算的角度：d=arctg(A+a)/(B+b)實際細分角度d與理論值r不符，因此，產(chǎn)生諧波分量和噪聲分量的誤差。3.5量化誤差軸角位移是連續(xù)的模擬量，角度數(shù)據(jù)數(shù)字代碼是量化的，如圖6所示。圖4幅值誤差示意圖16位量化角度數(shù)據(jù)234分辨力91.78235AD236237設(shè)余弦幅值r，正弦幅值為r-dr，正弦幅值Y軸方向幅值偏差量a。由于誤差的存在，當位置在N點時，真值位置角度POM=r，采樣細分計算的角度圖6量化誤差示意圖NOX=d，因此，產(chǎn)生了幅值分量誤差角度。3.3正交相位誤差當兩路細分信號只有相位差時，忽略其他分量的影響，如圖5所示。原理算法默認A和B信號正

14、交相差90°，B信號信號周期360°A點的角位置為235×360°/216，從A點到B點之間，數(shù)字代碼無變化，都是235，因此，產(chǎn)生量化誤差。同樣是D點，從A點到D點，數(shù)據(jù)是235；可是，從B點退到D點，數(shù)據(jù)是236。量化誤差最大為一個代碼的分辨力。當角度數(shù)據(jù)代碼分辨力為16位(360°/216)時，按照概率論理論，量化誤差均方根值：B0A90d45d90°圖5正交相位誤差示意圖x=19.78/3.46=5.7測角分辨力越低，量化誤差比重越大。（7）3.6誤差合成設(shè)直流分量誤差a=b=5%Am，信號幅值誤差dr=5%Am，相位誤差3&

15、#176;，諧波分量誤差0.2%，噪聲e=1%，細分100份的量化誤差為0.29%。誤差合成2011第28卷第5期得到總的測量不確定度，均方根值為光柵常量的術(shù)介紹了編碼器光電信號獲取原理和結(jié)構(gòu)特點。采用較高分辨力的編碼器產(chǎn)品，則要涉及到細分技術(shù)，高分辨力和高精度一定要高的細分技術(shù)來保障。當然，這只是必要條件之一，雖然高精度和高分辨力涉及到的內(nèi)容很多，但其中主要的內(nèi)容是基準光柵、信號掃描技術(shù)和細分技術(shù)。有關(guān)數(shù)據(jù)代碼分辨力和精度的關(guān)系，以及編碼器在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用問題，將在今后的文章中加以介紹。1.52%。影響精度的因素很多，誤差源數(shù)值的變化是隨機的，減小和控制誤差是件非常麻煩的事。4總結(jié)為了在應(yīng)

16、用方案中選取合適的光電編碼器，需要了解其原理和特點。分類源于角度測量基準說明了增量式、絕對式和準絕對式的特點。光電掃描技參考文獻1王顯軍.光電編碼器應(yīng)用-分類源于角度測量基準J.光機電信息，2010，27（10）：22-27.2王顯軍.光電編碼器應(yīng)用-光電掃描技術(shù)和測角系統(tǒng)組成J.光機電信息，2010，27（12）：1-7.3葉盛祥.光電位移精密測量技術(shù)M.成都：四川科學技術(shù)出版社，2003.4幕向勇，陳輔鋒.增量式光電編碼器精粗碼校正的實現(xiàn)J.工程技術(shù)，2008（4）：48-50.5王雁平.基于F330D單片機的光電編碼器的設(shè)計與制作J.傳感器世界，2008（4）：42-44.6應(yīng)卓瑜，梁堅，邵亮，等.基于CPLD的辨向細分電路設(shè)計J.傳感技術(shù)學報，2005，18（1）：143-145.7HEIDENHAIN.技術(shù)資料EB/OL.2010-128羅華，高山