光电码盘四倍频分析

    摘要：提高位置测量的精度，是提高电机定位精度的主要途径。作为当前常用转角位置传感器的增量式光电码盘，常采用四倍频的方法提高其测量精度。针对一些精度和稳定性不高的四倍频电路在应用中造成的误差详细分析了两种可应用于不同环境的四倍频电路，从原理上说明了电路的精度和稳定性其结论在实际应用中也得到了验证。

    关键词：电机控制  伺服电路  光电码盘

    在分布于各个行业的大量机电系统的设计中，定位精度常常是最关键的性能指标之一。在此类系统的设计中，当前主要使用电机作为驱动，因此研究提高电机伺服系统定位精度的方法，对提高机电系统性能具有重要的意义。对于一个设计完善的伺服系统而言，其定位精度主要取决于位置测量装置[１]。由于光电码盘具有分辨率高、响应速度快、体积小、重量轻、输出稳定、耐恶劣环境等特点，所以在电机伺服控制系统中得到了广泛应用。通常，光电码盘分为绝对式和增量式两种。绝对式码盘在任意位置都可给出与位置相对应的数字转角输出量，不存在四倍频的问题。增量式码盘是根据轴所转过的角度，输出一系列脉冲，并通过计数电路，对脉冲进行累计计数，得到相对角位移。由于单个绝对码盘的角位移的测量范围仅为０°～３６０°，需多个码盘才能测量大于３６０°的角位移，从而提高了系统的价格和复杂程度；而增量式码盘转角测量范围只受计数电路的位数限制，结构简单，价格较低，因此得到广泛应用。本文提到的光电码盘，都是指增量式码盘。

    在实际应用中，通常采用四倍频的方法以提高光电码盘的定位精度。因此，结构简单、性能稳定、运行可靠的四倍频电路，是电机伺服电路的一个重要组成部分。通常，光电码盘的四倍频电路与判向电路设计为一个整体，故又统称为四倍频及判向电路。能够实现四倍频的电路结构很多，但我们在应用中发现，由于某些四倍频电路的精度或稳定性不高，从而使加入四倍频电路后，精度本应得到提高的系统，整体性能反而下降，从而使系统无法达到设计要求[２]。为此，我们在分析几种常见四倍频电路的基础上，针对不同的应用，设计了两种不同的电路实现方案。下面，对四倍频电路的设计原理及两种方案的结构和使用方法进行讨论。

１ 四倍频电路设计原理

    光电码盘的典型输出为两个相位差为９０°的方波信号（Ａ和Ｂ），以及零位脉冲信号Ｚ（见图１）。其中，Ａ、Ｂ两相信号的脉冲数标志码盘轴所转过的角度，Ａ、Ｂ之间的相位关系标志码盘的转向，即当Ａ相超前Ｂ相９０°时，标志码盘正转（见图１ａ），当Ｂ相超前Ａ相９０°时，码盘反转（见图１ｂ）。

    对于每个确定的码盘，其脉冲周期Ｔ对应的码盘角位移固定为θ，故其量化误差为θ／２。如果能够将Ａ或Ｂ信号四倍频，则计数脉冲的周期将减小到Ｔ／４，量化误差下降为θ／８，从而使光电码盘的角位移测量精度提高４倍。由于伺服系统中的码盘转速具有不可预见性，造成脉冲周期Ｔ具有不确定的特点，从而无法使用锁相环等常用倍频方案。详细观察图１可以发现，在脉冲周期Ｔ内，Ａ、Ｂ两相信号共产生了四次变化，即ｔ１、ｔ２时刻的上升沿和ｔ３、ｔ４时刻的下降沿。尽管Ｔ不确定，但由于Ａ、Ｂ两方波信号之间相位关系确定，使这四次变化在相位上平均分布，如果利用这四次变化产生四倍频信号，则可以实现光电码盘测量精度的提高。

    四倍频后的码盘信号，需经计数器计数后，才能转化为相对位置。计数过程一般有两种实现方法：一是由可编程计数器或微处理器内部定时／计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数。当需控制的电机数量少时，前一方案附加元件少，结构简单，较为容易实现。如使用８０３１控制一路电机，则无需添加任何器件，利用其内部的Ｔ０及Ｔ１计数器，即可实现计数。当需控制的电机数量较多时，则采用后一种方案，利用复杂可编程逻辑器件（ＰＬＤ），实现会更为简单。

    基于以上思路，根据不同的计数方案，可以设计出以下两种四倍频电路。

２ 面向通用计数器的四倍频及判向电路

    在实现１～２路电机控制的情况下，使用微控制器内部通用计数器，或简单地增加可编程计数器即可实现计数。因此也要求四倍频电路结构简单，便于利用简单ＰＬＤ实现集成。为此，我们采用的电路原理如图２所示。其中，７４ＬＳ１７４为６Ｄ触发器，用于锁存Ａ、Ｂ信号的当前状态及原状态；ＣＰ为７４ＬＳ１７４的同步时钟，其周期至少应小于码盘脉冲最小周期的１／４；ＸＡ及ＸＢ分别为电路生成的正反向四倍频计数脉冲，其宽度等于ＣＰ的脉冲周期。该电路的逻辑表达式如下：

    其中，ＡＢ表示Ａ、Ｂ两相输入信号，ＸＡ、ＸＢ表示四倍频电路输出。从状态图可以看出，该电路不仅在输入正常的条件下能够稳定工作，而且在ＡＢ出现同时变化的输入错误状态下（输入在００←→１１或０１←→１０之间跳变），其输出信号不会发生任何变化，这一方面显示了电路逻辑结构的严密性，另一方面也提高了抗干扰能力。图４为该电路实现四倍频及判向功能的时序图。

    从以上分析可以看出，该电路具有逻辑结构严密、不受干扰输入影响、易于实现简单ＰＬＤ器件集成等特点。当前，该电路已成功应用于多种机器人控制系统中，包括人工肌肉、图像监控系统，以及分辨率达到６０ｎｍ的微操作机器人等，实际应用验证了该电路的精度和稳定性。

３ 面向可逆计数器的四倍频及判向电路设计

    对于多轴数控机床、机器人等需要多轴电机控制的场合，如果采用上述设计方案，往往需要增加较多的可编程计数器，造成电路元器件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降等缺点。当前，解决该问题的一个有效方案，是利用ＦＰＧＡ等复杂ＰＬＤ器件，实现多路电机的码盘接口电路的芯片化设计，包括光码盘信号四倍频电路、判向电路及可逆计数器电路。下面，以采用ＦＰＧＡ实现为例，说明设计过程。

    首先，为便于使用ＶＨＤＬ语言描述，对码盘信号作如下分析：

    （１）当码盘正转时，码盘输出的Ａ相信号超前Ｂ相９０°，则在一个周期内，ＡＢ两相信号共有四次相对变化： （图１ａ）；这样，如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次加计数，则一个周期内，共可实现四次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数。

    （２）当码盘反转时，码盘输出的Ａ相信号滞后Ｂ相９０°，则在一个周期内，ＡＢ两相信号也有四次相对变化： （图１ｂ）；这样，如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次减计数，则一个周期内，共可实现四次减计数，从而实现反转状态的四倍频计数。

    (３）当线路受到干扰或出现故障时，则可能出现其他状态转换过程，此时计数器应不进行计数操作。

    综合以上分析，可以作出基于ＦＰＧＡ设计的码盘信号处理模块状态转换图（见图５），其中“＋／－１”分别表示计数器加／减１计数，“０”表示计数器不动作。

    由该状态转换图，可以将该模块描述如下：

    Ｅｃｏｄｅｒｉｎｐｕｔ :ｐｒｏｃｅｓｓ(ｐａｐｂｃｌｒｐｒｅｓｅｔｃｌｋｄｂｉｎｃｎｔｅｎｄｂ)

    ｂｅｇｉｎ

    ｉｆ(ｃｌｒ＝＇０＇) ｔｈｅｎ

    ｄｂ＜＝″００００００００００００００００″;

    ｐｒｅｓｔａｔｅ＜＝″００″;

    ｓｔａｔｅ＜＝″００″;

    ｅｌｓｉｆ (ｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｋ＝＇１＇) ｔｈｅｎ

    ｉｆ (ｐｒｅｓｅｔ＝＇０＇) ｔｈｅｎ

    ｄｂ＜＝ｄｂｉｎ;

    ｅｌｓｉｆ(ｃｎｔｅｎ＝＇０＇) ｔｈｅｎ

    ｓｔａｔｅ(１)＜＝ｐａ;

    ｓｔａｔｅ(０)＜＝ｐｂ;

    ｐｒｅｓｔａｔｅ＜＝ｓｔａｔｅ;

    ｉｆ(ｐｒｅｓｔａｔｅ＝″００″) ａｎｄ (ｓｔａｔｅ＝″１０″) ｔｈｅｎ ｄｂ＜＝

    ｄｂ＋″０００００００００００００００１″;

    ｅｌｓｉｆ (ｐｒｅｓｔａｔｅ＝″１０″) ａｎｄ (ｓｔａｔｅ＝″１１″) ｔｈｅｎ ｄｂ＜＝ｄｂ＋″０００００００００００００００１″;

    ｅｌｓｉｆ (ｐｒｅｓｔａｔｅ＝″１１″) ａｎｄ (ｓｔａｔｅ＝″０１″) ｔｈｅｎ ｄｂ＜＝ｄｂ＋″０００００００００００００００１″;

    ｅｌｓｉｆ (ｐｒｅｓｔａｔｅ＝″０１″) ａｎｄ (ｓｔａｔｅ＝″００″) ｔｈｅｎ ｄｂ＜＝ｄｂ＋″０００００００００００００００１″;

    ｅｌｓｉｆ (ｐｒｅｓｔａｔｅ＝″００″) ａｎｄ (ｓｔａｔｅ＝″０１″) ｔｈｅｎ ｄｂ＜＝ｄｂ－″０００００００００００００００１″;

    ｅｌｓｉｆ (ｐｒｅｓｔａｔｅ＝″０１″) ａｎｄ (ｓｔａｔｅ＝″１１″) ｔｈｅｎ ｄｂ＜＝ｄｂ－″０００００００００００００００１″;

    ｅｌｓｉｆ (ｐｒｅｓｔａｔｅ＝″１１″) ａｎｄ (ｓｔａｔｅ＝″１０″) ｔｈｅｎ ｄｂ＜＝ｄｂ－″０００００００００００００００１″;

    ｅｌｓｉｆ (ｐｒｅｓｔａｔｅ＝″１０″) ａｎｄ (ｓｔａｔｅ＝″００″) ｔｈｅｎ ｄｂ＜＝ｄｂ－″０００００００００００００００１″;

    ｅｌｓｅ ｄｂ＜＝ｄｂ;

    ｅｎｄ ｉｆ;

    ｅｎｄ ｉｆ;

    ｅｎｄ ｉｆ;

    ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｃｏｄｅｒｉｎｐｕｔ;

    图６为该模块实现四倍频及判向功能的时序图。

    可以看出，利用ＦＰＧＡ设计码盘信号处理模块，无论是设计过程，还是电路结构，都变得更加简洁。另外，在应用中注意ＦＰＧＡ时钟周期应小于码盘脉冲的１／４，只是通常ＦＰＧＡ的时钟已经远小于码盘脉冲周期。该电路已应用于对精度、可靠性和稳定性都有很高要求的医疗外科机械臂的设计中，该机械臂已多次成功应用于临床手术，从而在实践上验证了该电路性能。

    鉴于光电码盘四倍频电路在提高电机定位精度中具有的重要作用，以上详细分析了两种面向不同计数方案的四倍频电路结构。这两种电路性能都已在实际应用中得到了验证，希望能对电机伺服电路设计提供一定的参考。