采用光電旋轉(zhuǎn)碼盤對步進電機進行定位

何國華

【摘要】 由于光電碼盤具有分辨率高、響應速度快、體積小、輸出穩(wěn)定、耐惡劣環(huán)境等特點，所以在電機伺服控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。本文介紹了如何采用光電旋轉(zhuǎn)碼盤對步進電機的位置進行定位以及如何解決因系統(tǒng)的不完善性及使用和維護不當造成的問題。

【關鍵詞】 光電碼盤 光柵盤 步進電機 數(shù)字量傳感器

一、步進電機原理

步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（稱為“步距角”）一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差（精度為100%）。步進電機的運行要由步進電機驅(qū)動器進行驅(qū)動，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)換為步進電機的角位移。因此，步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，通過控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；通過控制步進脈沖的個數(shù)，即可對電機精確定位。

二、光電碼盤原理

步進電機的位置采用光電旋轉(zhuǎn)碼盤進行定位，光電碼盤學名光電編碼器，由光柵盤和光電檢測裝置組成，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，是目前應用最多的傳感器。

工作時，光投射在碼盤上，碼盤隨運動物體一起旋轉(zhuǎn)，透過亮區(qū)的光經(jīng)過狹縫后由光敏元件接收，光敏元件的排列與碼道一一對應，對于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”，即A、B兩組脈沖。當碼盤旋轉(zhuǎn)在不同位置時，光敏元件輸出若干脈沖信號的組合反映出一定規(guī)律的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號。原理如圖1所示。

光電碼盤有A、B、Z三相輸出，A相和B相輸出占空比為50%的方波。A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，A相和B相輸出固定數(shù)目的脈沖。碼盤正向旋轉(zhuǎn)時，A相比B相超前1/4周期；反向旋轉(zhuǎn)時，B相比A相超前1/4周期，如圖2所示。

而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準點定位。計數(shù)過程由可編程計數(shù)器或微處理器內(nèi)部定時/計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)，經(jīng)計數(shù)器計數(shù)后，轉(zhuǎn)化為相對位置。將可調(diào)元件的實際位置采用光電碼盤的計數(shù)測量與要求的預置值進行數(shù)字運算比較，其誤差在數(shù)字上等于零。根據(jù)比較誤差來控制執(zhí)行電機轉(zhuǎn)動：當預置值大于實際值，控制電機正轉(zhuǎn)；當預置值小于實際值，控制電機反轉(zhuǎn)；當預置值等于實際值，控制電機不轉(zhuǎn)。當需控制的電機數(shù)量較多時，采用FPGA實現(xiàn)會更為簡單。

增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖。

三、控制示意圖

用每轉(zhuǎn)1000個脈沖（0.360/單脈沖）的光電碼盤完成電機控制板內(nèi)的數(shù)字計數(shù)，極大提高計算精度。以單路電機控制為例，其控制示意圖如圖3所示：

四、運行中問題及解決

（1）安裝：在選在編碼器中有A、B、Z三相輸出，A 和 B 為脈沖信號 通過對AB兩相進行正交計數(shù)來實現(xiàn)計數(shù)和判向，Z 為零點位置信號，編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈 Z相會輸出一個零點脈沖，用來作為一個起始位置標記。所以在安裝中要特別注意中軸切口與Z相起始位置的對應。如圖4所示：

D切口一定要與原點位置（Z相標記）一致，如果不能達到嚴格一致，D點可以前置原點一些角度，最好不要超過30°，千萬不能滯后原點，如果滯后原點，在轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生很大的誤差。

（2）振動：當碼盤的震動幅度超過四分之一周期的長度時，就會觸發(fā)FPGA內(nèi)計數(shù)器，導致誤計數(shù)開始。雖然FPGA內(nèi)部增加了濾波消抖電路，但是由于這種來自碼盤的干擾達到了正常的AB脈沖寬度，導致芯片無法識別這種干擾的真實性，電機實際數(shù)字在不停地增大或者減小的現(xiàn)象。

為了減少振動給編碼器帶來的影響， 光電編碼器和步進電機可采用一個齒輪連接，齒輪采用了一種特殊的齒輪，張力彈簧拼合齒輪裝置，如圖5所示。

（3）干擾：存在干擾時，干擾信號會觸發(fā)控制芯片，導致電機誤動作。采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個重要的技術特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強的防護能力，因為空間電磁場在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個技術特點是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。另外，要保證屏蔽層良好 接地。

五、結束語

用旋轉(zhuǎn)式光電碼盤作為位置傳感器，將角位移轉(zhuǎn)換成二進制碼或脈沖串完成步進電機控制，可以對電機更為精確調(diào)速和精確定位，在現(xiàn)代傳動系統(tǒng)中廣泛應用。

【摘要】 由于光電碼盤具有分辨率高、響應速度快、體積小、輸出穩(wěn)定、耐惡劣環(huán)境等特點，所以在電機伺服控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。本文介紹了如何采用光電旋轉(zhuǎn)碼盤對步進電機的位置進行定位以及如何解決因系統(tǒng)的不完善性及使用和維護不當造成的問題。

【關鍵詞】 光電碼盤 光柵盤 步進電機 數(shù)字量傳感器

一、步進電機原理

步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（稱為“步距角”）一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差（精度為100%）。步進電機的運行要由步進電機驅(qū)動器進行驅(qū)動，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)換為步進電機的角位移。因此，步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，通過控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；通過控制步進脈沖的個數(shù)，即可對電機精確定位。

二、光電碼盤原理

步進電機的位置采用光電旋轉(zhuǎn)碼盤進行定位，光電碼盤學名光電編碼器，由光柵盤和光電檢測裝置組成，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，是目前應用最多的傳感器。

工作時，光投射在碼盤上，碼盤隨運動物體一起旋轉(zhuǎn)，透過亮區(qū)的光經(jīng)過狹縫后由光敏元件接收，光敏元件的排列與碼道一一對應，對于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”，即A、B兩組脈沖。當碼盤旋轉(zhuǎn)在不同位置時，光敏元件輸出若干脈沖信號的組合反映出一定規(guī)律的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號。原理如圖1所示。

光電碼盤有A、B、Z三相輸出，A相和B相輸出占空比為50%的方波。A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，A相和B相輸出固定數(shù)目的脈沖。碼盤正向旋轉(zhuǎn)時，A相比B相超前1/4周期；反向旋轉(zhuǎn)時，B相比A相超前1/4周期，如圖2所示。

而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準點定位。計數(shù)過程由可編程計數(shù)器或微處理器內(nèi)部定時/計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)，經(jīng)計數(shù)器計數(shù)后，轉(zhuǎn)化為相對位置。將可調(diào)元件的實際位置采用光電碼盤的計數(shù)測量與要求的預置值進行數(shù)字運算比較，其誤差在數(shù)字上等于零。根據(jù)比較誤差來控制執(zhí)行電機轉(zhuǎn)動：當預置值大于實際值，控制電機正轉(zhuǎn)；當預置值小于實際值，控制電機反轉(zhuǎn)；當預置值等于實際值，控制電機不轉(zhuǎn)。當需控制的電機數(shù)量較多時，采用FPGA實現(xiàn)會更為簡單。

增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖。

三、控制示意圖

用每轉(zhuǎn)1000個脈沖（0.360/單脈沖）的光電碼盤完成電機控制板內(nèi)的數(shù)字計數(shù)，極大提高計算精度。以單路電機控制為例，其控制示意圖如圖3所示：

四、運行中問題及解決

（1）安裝：在選在編碼器中有A、B、Z三相輸出，A 和 B 為脈沖信號 通過對AB兩相進行正交計數(shù)來實現(xiàn)計數(shù)和判向，Z 為零點位置信號，編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈 Z相會輸出一個零點脈沖，用來作為一個起始位置標記。所以在安裝中要特別注意中軸切口與Z相起始位置的對應。如圖4所示：

D切口一定要與原點位置（Z相標記）一致，如果不能達到嚴格一致，D點可以前置原點一些角度，最好不要超過30°，千萬不能滯后原點，如果滯后原點，在轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生很大的誤差。

（2）振動：當碼盤的震動幅度超過四分之一周期的長度時，就會觸發(fā)FPGA內(nèi)計數(shù)器，導致誤計數(shù)開始。雖然FPGA內(nèi)部增加了濾波消抖電路，但是由于這種來自碼盤的干擾達到了正常的AB脈沖寬度，導致芯片無法識別這種干擾的真實性，電機實際數(shù)字在不停地增大或者減小的現(xiàn)象。

為了減少振動給編碼器帶來的影響， 光電編碼器和步進電機可采用一個齒輪連接，齒輪采用了一種特殊的齒輪，張力彈簧拼合齒輪裝置，如圖5所示。

（3）干擾：存在干擾時，干擾信號會觸發(fā)控制芯片，導致電機誤動作。采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個重要的技術特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強的防護能力，因為空間電磁場在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個技術特點是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。另外，要保證屏蔽層良好 接地。

五、結束語

用旋轉(zhuǎn)式光電碼盤作為位置傳感器，將角位移轉(zhuǎn)換成二進制碼或脈沖串完成步進電機控制，可以對電機更為精確調(diào)速和精確定位，在現(xiàn)代傳動系統(tǒng)中廣泛應用。

【摘要】 由于光電碼盤具有分辨率高、響應速度快、體積小、輸出穩(wěn)定、耐惡劣環(huán)境等特點，所以在電機伺服控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。本文介紹了如何采用光電旋轉(zhuǎn)碼盤對步進電機的位置進行定位以及如何解決因系統(tǒng)的不完善性及使用和維護不當造成的問題。

【關鍵詞】 光電碼盤 光柵盤 步進電機 數(shù)字量傳感器

一、步進電機原理

步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（稱為“步距角”）一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差（精度為100%）。步進電機的運行要由步進電機驅(qū)動器進行驅(qū)動，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)換為步進電機的角位移。因此，步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，通過控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；通過控制步進脈沖的個數(shù)，即可對電機精確定位。

二、光電碼盤原理

步進電機的位置采用光電旋轉(zhuǎn)碼盤進行定位，光電碼盤學名光電編碼器，由光柵盤和光電檢測裝置組成，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，是目前應用最多的傳感器。

工作時，光投射在碼盤上，碼盤隨運動物體一起旋轉(zhuǎn)，透過亮區(qū)的光經(jīng)過狹縫后由光敏元件接收，光敏元件的排列與碼道一一對應，對于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”，即A、B兩組脈沖。當碼盤旋轉(zhuǎn)在不同位置時，光敏元件輸出若干脈沖信號的組合反映出一定規(guī)律的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號。原理如圖1所示。

光電碼盤有A、B、Z三相輸出，A相和B相輸出占空比為50%的方波。A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，A相和B相輸出固定數(shù)目的脈沖。碼盤正向旋轉(zhuǎn)時，A相比B相超前1/4周期；反向旋轉(zhuǎn)時，B相比A相超前1/4周期，如圖2所示。

而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準點定位。計數(shù)過程由可編程計數(shù)器或微處理器內(nèi)部定時/計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)，經(jīng)計數(shù)器計數(shù)后，轉(zhuǎn)化為相對位置。將可調(diào)元件的實際位置采用光電碼盤的計數(shù)測量與要求的預置值進行數(shù)字運算比較，其誤差在數(shù)字上等于零。根據(jù)比較誤差來控制執(zhí)行電機轉(zhuǎn)動：當預置值大于實際值，控制電機正轉(zhuǎn)；當預置值小于實際值，控制電機反轉(zhuǎn)；當預置值等于實際值，控制電機不轉(zhuǎn)。當需控制的電機數(shù)量較多時，采用FPGA實現(xiàn)會更為簡單。

增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖。

三、控制示意圖

用每轉(zhuǎn)1000個脈沖（0.360/單脈沖）的光電碼盤完成電機控制板內(nèi)的數(shù)字計數(shù)，極大提高計算精度。以單路電機控制為例，其控制示意圖如圖3所示：

四、運行中問題及解決

（1）安裝：在選在編碼器中有A、B、Z三相輸出，A 和 B 為脈沖信號 通過對AB兩相進行正交計數(shù)來實現(xiàn)計數(shù)和判向，Z 為零點位置信號，編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈 Z相會輸出一個零點脈沖，用來作為一個起始位置標記。所以在安裝中要特別注意中軸切口與Z相起始位置的對應。如圖4所示：

D切口一定要與原點位置（Z相標記）一致，如果不能達到嚴格一致，D點可以前置原點一些角度，最好不要超過30°，千萬不能滯后原點，如果滯后原點，在轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生很大的誤差。

（2）振動：當碼盤的震動幅度超過四分之一周期的長度時，就會觸發(fā)FPGA內(nèi)計數(shù)器，導致誤計數(shù)開始。雖然FPGA內(nèi)部增加了濾波消抖電路，但是由于這種來自碼盤的干擾達到了正常的AB脈沖寬度，導致芯片無法識別這種干擾的真實性，電機實際數(shù)字在不停地增大或者減小的現(xiàn)象。

為了減少振動給編碼器帶來的影響， 光電編碼器和步進電機可采用一個齒輪連接，齒輪采用了一種特殊的齒輪，張力彈簧拼合齒輪裝置，如圖5所示。

（3）干擾：存在干擾時，干擾信號會觸發(fā)控制芯片，導致電機誤動作。采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個重要的技術特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強的防護能力，因為空間電磁場在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個技術特點是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。另外，要保證屏蔽層良好 接地。

五、結束語

用旋轉(zhuǎn)式光電碼盤作為位置傳感器，將角位移轉(zhuǎn)換成二進制碼或脈沖串完成步進電機控制，可以對電機更為精確調(diào)速和精確定位，在現(xiàn)代傳動系統(tǒng)中廣泛應用。