基于FPGA高精度磁編碼器抖動(dòng)干擾的編碼技術(shù)

陳慧

摘要

我們對本題目的研究，首先是從增量式光電編碼器開始分析，根據(jù)增量式光電編碼器的基本工作原理以及傳統(tǒng)的一種正交編碼脈沖電路的工作原理。可以推出增量式光電編碼器抖動(dòng)時(shí)候所產(chǎn)生的抖動(dòng)的具體原因。從我們得出的結(jié)果可以得出正交編碼脈沖電路在某些時(shí)候會(huì)對我們的系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)。文中提及可以利用一種基于FPGA的編碼器優(yōu)化裝置，去編碼抖動(dòng)干擾的編碼電路去代替之前的正交編碼脈沖電路，然后驗(yàn)證這種優(yōu)化的正確性。

【關(guān)鍵詞】增量式光電編碼器 抖動(dòng)干擾 FPGA

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的在電子技術(shù)方面的一系列成就以及制造工藝的大幅度提高。交流電機(jī)的技術(shù)已經(jīng)十分純熟，并且在工業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用越來越廣泛。而且交流電機(jī)的系統(tǒng)一般采用磁場定向矢量控制。我們通常采用轉(zhuǎn)子的磁極和矢量控制兩方面的反饋數(shù)據(jù)。進(jìn)而控制電機(jī)電流的波形、相位和頻率。這樣就能夠確定定子與轉(zhuǎn)子的相互對相應(yīng)關(guān)系。使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，所以磁極的位置的精確檢測是一個(gè)至關(guān)重要的數(shù)據(jù)。現(xiàn)代化的磁極檢測單元各式各樣，我們時(shí)長用到的是旋轉(zhuǎn)式的變壓器和、絕對編碼式和增量編碼式的。從實(shí)用性和合理性的觀點(diǎn)去考慮增量式編碼器由于其價(jià)格較低、抗干擾能力比較強(qiáng)，而且它能檢測到的是在某個(gè)時(shí)間段范圍內(nèi)的一個(gè)增量值。所以就選擇增量式編碼器，并以此為基礎(chǔ)研究如何才能把他們的抖動(dòng)量降到最低狀態(tài)。

1 增量式編碼器的特點(diǎn)

按照增量式編碼器的類型劃分可以分為增量式和絕對式兩類。

增量式編碼器的基本運(yùn)轉(zhuǎn)形式是將位移信號經(jīng)過裝置轉(zhuǎn)換成某周期性的電信號，然后我們可以通過對電信號做出一系列的處理，轉(zhuǎn)換成我們需要的脈沖信號，通過對脈沖信號的合理的處理以脈沖信號的個(gè)數(shù)記錄旋轉(zhuǎn)過的位移大小。而絕對式編碼器與這種原理大不相同，它是把碼盤上刻有數(shù)字，因此在測量絕對式編碼器的示值的時(shí)候我們只需要看初始位置。通過判向電路和計(jì)數(shù)器可以準(zhǔn)確的判斷增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向和脈沖數(shù)量的增減。在設(shè)置起點(diǎn)的時(shí)候沒有特定的要求，可以設(shè)置任一點(diǎn)為起點(diǎn)。在測量多圈時(shí)結(jié)果是把圈數(shù)相加得到測量的值。通常在尋找機(jī)械參考零點(diǎn)時(shí)，為了計(jì)算方便可以把脈沖信號的發(fā)射點(diǎn)作為一個(gè)參考點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)編碼器軸轉(zhuǎn)動(dòng)360度我們就會(huì)接到一個(gè)脈沖量，通過對光柵的線數(shù)的檢查脈沖數(shù)可以記錄旋轉(zhuǎn)了多少圈。當(dāng)我們需要更高精度時(shí)，就需要對它的分辨率進(jìn)行調(diào)整。主要方法有兩種：一是對其相位差相隔一定的角度，二是更換裝置來提高編碼器的分辨率。

2 增量式編碼器的工作原理

增量式編碼器的主要組成件是由：光源、碼盤、光敏元件、放大整形、脈沖輸出等幾個(gè)部分。

編碼器在碼盤上以不同的半徑開出三個(gè)碼道，我們以半徑的大小從內(nèi)到外分別定義為X、Y、Z。而在內(nèi)圈A、B碼盤的開出等距離的縫隙，為了計(jì)脈沖數(shù)和鑒別相位這些縫隙有一半是透明而另一半是不透明的，且透明與不透明相間，而且會(huì)在碼盤上布滿各種計(jì)數(shù)原件的傳感器和光敏元件的傳感器。當(dāng)工作軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，碼盤也會(huì)隨著其進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，在實(shí)際運(yùn)行過程中A瑪?shù)朗褂脕碛?jì)數(shù)而B碼道是用來確定相位，為了區(qū)分脈沖個(gè)數(shù)和相位我們把A、B相差60度，通過他們的相位和脈沖可以判斷出他們的懸向。當(dāng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)脈沖A超前脈沖B，反轉(zhuǎn)時(shí)脈沖B超前脈沖A。Z的作用就是在實(shí)際中對A進(jìn)行清零操作，以免會(huì)出現(xiàn)誤計(jì)數(shù)現(xiàn)象。

3 編碼器抖動(dòng)干擾產(chǎn)生原理

在理論上編碼器是沒有收到任何抖動(dòng)或者是干擾的，而且只有在沒有外界干擾的時(shí)候使用正交編碼器，在對模擬電路脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)候，才不會(huì)出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。但是在實(shí)際應(yīng)用中，沒有在理論中的那樣的情況，總會(huì)出現(xiàn)這樣或者是那樣的干擾。例如在實(shí)際的一個(gè)應(yīng)用中調(diào)速系統(tǒng)和電機(jī)在工作時(shí)候都會(huì)不可避免的出現(xiàn)抖動(dòng)。而如果這種抖動(dòng)被反映在編碼器上，就是透光部分出現(xiàn)波動(dòng)，這樣的情況下我們所得到的脈沖就不可能是一個(gè)正交脈沖列，導(dǎo)致計(jì)數(shù)錯(cuò)誤的現(xiàn)象。

4 基于FPGA抖動(dòng)干擾設(shè)計(jì)

經(jīng)過各種數(shù)據(jù)分析和對比實(shí)驗(yàn)我們可以得出的結(jié)論就是機(jī)械方面的震動(dòng)和來自環(huán)境方面的干擾。因此去解決我們所面臨的震動(dòng)和環(huán)境的干擾是抖動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。為了解決這個(gè)問題我們的思路可以針對脈沖的上升沿和下降沿這兩個(gè)部分。可以假設(shè)當(dāng)一個(gè)脈沖處于干擾的情況下是上升沿（下降沿），這樣另一個(gè)脈沖是正常傳播到設(shè)備上的。所以我們就可以利用這種特性分別進(jìn)行正向和反向的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以保證計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。

在光電編碼正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，我們可以得到一段機(jī)械抖動(dòng)干擾的脈沖，我們可以對其中的一個(gè)脈沖取反，得到一個(gè)新的脈沖（為了方便記錄我們把它稱為脈沖a），然后取a的下降沿部分與另一個(gè)脈沖相與。產(chǎn)生正、反向計(jì)數(shù)器的脈沖a交另一個(gè)計(jì)數(shù)器的脈沖。由此可得，當(dāng)干擾脈沖使得正向計(jì)數(shù)器產(chǎn)生誤記脈沖時(shí)，同時(shí)也能在反向計(jì)數(shù)器產(chǎn)生誤記脈沖。當(dāng)我們采用可逆的脈沖計(jì)數(shù)器時(shí)，可使干擾所產(chǎn)生的增計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖相等。因此在計(jì)數(shù)時(shí)增減的脈沖信號可以相互抵消。從而消除抖動(dòng)脈沖的干擾影響。

5 結(jié)論

通過基于FPGA高精度磁編碼器抖動(dòng)干擾的高精度編碼技術(shù)我可以從中發(fā)現(xiàn)不但消除了抖動(dòng)和各種外界干擾所產(chǎn)生的誤計(jì)數(shù)現(xiàn)象。還可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)脈沖的倍頻，從而進(jìn)一步減小了計(jì)數(shù)誤差，這對于我們在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用又是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

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