基于AD2S83旋變反饋轉(zhuǎn)光電編碼器反饋的應(yīng)用

唐智鵬

摘 要：旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S83是AD公司早幾年前推出的產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛；文中介紹了旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S83及光電編碼器的基本工作原理，給出了旋轉(zhuǎn)變壓器反饋轉(zhuǎn)增量式編碼器反饋的實(shí)際應(yīng)用電路，結(jié)合實(shí)時(shí)編碼器反饋波形及旋變反饋轉(zhuǎn)光電編碼器反饋的特點(diǎn)，得到該種反饋方式可行性，其在實(shí)際工作中的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：AD2S83；旋轉(zhuǎn)變壓器反饋；光電編碼器反饋；位置閉環(huán)環(huán)

1 AD2S83芯片介紹

AD2S83利用比率跟蹤轉(zhuǎn)換方法將旋變格式輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行自然二進(jìn)制數(shù)字字。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)換器遠(yuǎn)離旋變器放置時(shí)，可以確保具有高抗擾度，并且支持長(zhǎng)引線(xiàn)。10、12、14或16位輸出字處于三態(tài)數(shù)字邏輯狀態(tài)，并通過(guò)16路輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)以2字節(jié)形式提供。BYTE SELECT、ENABLE和引腳確?？奢p松地將數(shù)據(jù)傳輸至8和16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，而提供的輸出則可通過(guò)外部計(jì)數(shù)器進(jìn)行周期或俯仰計(jì)數(shù)。該器件還可以提供與速度成比例的模擬信號(hào)，可用于取代轉(zhuǎn)速傳感器；工作基準(zhǔn)頻率范圍為50Hz至20，000Hz。

2 編碼器工作原理

2.1 編碼器輸出信號(hào)

通常情況下編碼器的輸出波形如圖2所示。當(dāng)編碼器動(dòng)作時(shí)將產(chǎn)生A、B兩栩脈沖信號(hào)。且A、B兩相信號(hào)的波形完全相同.僅是存在90°相位差。編碼器的運(yùn)動(dòng)方向分為正負(fù)兩個(gè)方向：正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，脈沖信號(hào)A的相位超前脈沖信號(hào)B的相位90°；負(fù)方向運(yùn)動(dòng)脈沖信號(hào)A的相位滯后脈沖信號(hào)B的相位90°。

2.2 鑒相及四倍頻計(jì)數(shù)原理

鑒相及四倍頻計(jì)數(shù)原理圖如圖3所示，在編碼器單方向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，每個(gè)周期A、B兩相信號(hào)總存在四次電平狀態(tài)的改變；并且A、B兩相電平狀態(tài)改變的順序總為：10一11一0l—00—lO；因此，在一個(gè)周期的信號(hào)中可根據(jù)A、B兩相的4種電平狀態(tài)的順序變化對(duì)位置脈沖進(jìn)行細(xì)分計(jì)數(shù)及四倍頻計(jì)數(shù)；同時(shí)，根據(jù)A、B兩相電平的變化順序來(lái)判斷編碼器的運(yùn)動(dòng)方向；可得到四倍頻計(jì)數(shù)脈沖與方向脈沖如圖4所示。

3 旋轉(zhuǎn)反饋轉(zhuǎn)光電編碼器反饋的實(shí)現(xiàn)

3.1 總體方案

方案的總體框圖如圖4所示，采用分辨率可變的旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S83，作為旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)的解碼器，可將模擬量的旋變信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～15位的計(jì)數(shù)脈沖及方向信號(hào)。

AD2S83的分辨率可以選為10、12、14或16位，可以選擇各種應(yīng)用的最優(yōu)分辨率來(lái)使用AD2S83；如果AD2S83的分辨率選擇10位時(shí)，那么計(jì)數(shù)脈沖可依據(jù)需要選擇AD2S83的DB1～DB10其中任一輸出，DB1～DB10的輸出計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)為2^0～2^（10-1），DB11～DB16無(wú)輸出；依次類(lèi)推，當(dāng)分辨率選擇16位時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖可選擇AD2S83的DB1～DB16其中任一輸出，DB1～DB16的輸出計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)為2^0～2^（16-1）。

AD2S83最大計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)為32768（轉(zhuǎn)動(dòng)一圈），相當(dāng)于一個(gè)8192線(xiàn)的光電編碼器四倍頻后的脈沖個(gè)數(shù)，AD2S83分辨率、速率及計(jì)數(shù)脈沖對(duì)照表如表1所示；AD2S83解碼輸出的計(jì)數(shù)脈沖與方向信號(hào)，用來(lái)取代光電編碼器鑒相及四倍頻后得到的計(jì)數(shù)脈沖與方向脈沖。

3.2 硬件電路

該硬件電路框圖如圖5所示，電路中AD2S83使用的分辨率為14位，跟蹤轉(zhuǎn)速最高達(dá)65轉(zhuǎn)/秒（3，900 rpm）。

AD2S83的第2、4、7引腳分別接入單端的激磁信號(hào)、余弦信號(hào)、正弦信號(hào)，作為旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的輸入信號(hào)；AD2S83經(jīng)過(guò)解碼后，第41引腳VCO O/P信號(hào)，為輸入旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)的實(shí)時(shí)速度模擬電壓（-8VDC～+8VDC）；第37引腳DIRECTION信號(hào)，為輸入旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)的實(shí)時(shí)方向（0VDC或5VDC即代表輸入旋變信號(hào)逆轉(zhuǎn)或順轉(zhuǎn)），用來(lái)替代光電編碼器鑒相及四倍頻后的方向脈沖信號(hào)；第23引腳DB14信號(hào)，為輸入旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)的實(shí)時(shí)速度脈沖信號(hào)（包含實(shí)時(shí)位置信息），用來(lái)替代光電編碼器鑒相及四倍頻后的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。

3.3 實(shí)時(shí)編碼器反饋波形及速率計(jì)算

采用圖5硬件電路，作為高精度伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的反饋硬件電路，與伺服電機(jī)組成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)后；在一固定的轉(zhuǎn)速下，用示波器分別監(jiān)測(cè)圖5中的方向信號(hào)與計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，分別得到順轉(zhuǎn)時(shí)的方向信號(hào)及計(jì)數(shù)脈沖波形、逆轉(zhuǎn)時(shí)的方向信號(hào)及計(jì)數(shù)脈沖波形，如圖6、圖7所示。

圖6、圖7中，示波器1通道是計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)；示波器2通道是方向信號(hào)，高電平為順轉(zhuǎn)，低電平為逆轉(zhuǎn)。用圖6中的方向信號(hào)及計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)計(jì)算實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，計(jì)算如下：

每一秒的脈沖個(gè)數(shù)：

4、旋轉(zhuǎn)反饋轉(zhuǎn)光電編碼器反饋的意義

旋轉(zhuǎn)反饋轉(zhuǎn)光電編碼器反饋，既具備了旋轉(zhuǎn)變壓器的優(yōu)點(diǎn)，又具備了光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)；其特點(diǎn)如下：

◇耐振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)、抗干擾能力好，具有很高的可靠性；

◇抗污染能力強(qiáng)，能應(yīng)用在各種惡劣環(huán)境中，具有防塵、防油、防敲擊等特點(diǎn)；

◇靈敏度高、穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快；

◇分辨率高，可根據(jù)設(shè)備的精度要求選擇不同分辨率。

鑒于旋變反饋轉(zhuǎn)光電編碼器反饋以上的特點(diǎn)；可應(yīng)用于工作環(huán)境惡劣、高精度要求又高的伺服系統(tǒng)控制場(chǎng)合，比如應(yīng)用于高精度及大中型數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)器人控制、工業(yè)控制、轉(zhuǎn)臺(tái)控制、武器火力控制、雷達(dá)控制及慣性導(dǎo)航領(lǐng)域中。

5、 結(jié)束語(yǔ)

旋變反饋轉(zhuǎn)光電編碼器反饋，只不過(guò)是伺服控制系統(tǒng)反饋中一種方式；該種反饋方式，可以根據(jù)需要選擇分辨率，以滿(mǎn)足不同控制精度的需求；而且用該種反饋方式，作為伺服驅(qū)動(dòng)器的反饋部分，在速度閉環(huán)、位置閉環(huán)后，能夠極大的提高伺服驅(qū)動(dòng)器的控制精度；實(shí)際使用該種反饋方式的位置閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)在轉(zhuǎn)臺(tái)控制、工業(yè)控制領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] Aanlog Devices Inc..AD2S83 Datasheet[DB/OL].[2000-10-04].http：//www.analog.com

[2] 代杰，樊瑜瑾，張學(xué)麗，孫宏德. 基于單片機(jī)的光電編碼器位置檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011.19（1）：1671—4598