光电编码器范文
时间：2023-03-16 13:51:08
导语：如何才能写好一篇光电编码器，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1672-3198(2011)04-0281-01
1、光电编码器的分类概述
光电编码器分为增量式和绝对式两种类别。其中，增量式光电编码器具有体积小、结构简单、精度高、价格低、性能稳定、影响速度快等优点，因此，相比于绝对式光电编码器具有更为广泛的应用。在大量程角速度、大量程角位移和高分辨率的系统当中，增量式光电编码器的优势得到了更为充分的体现。这样的装置成本高、结构复杂。
2、光电编码器的工作原理分析
2.1增量式光电编码器工作原理分析
增量式光电编码器是由主码盘、光学系统、鉴向盘和光电变换器构成的，在主码盘的周边刻有相等节距的辐射状窄缝，形成分布均匀的不透明区和透明区。当工作时，鉴向盘保持静止，转轴和主码盘一同转动，这时光源发出的光就投射于鉴向盘和主码盘上，通过光敏原件的作用，将这种光信号转变成为脉冲信号，通过对脉冲信号的处理，向数控系统输出另一种脉冲信号，进而在数码管上直接显示出所测的位移量。
2.2绝对式光电编码器工作原理分析
绝对式光电编码器是将被测角度通过对编码盘上图案信息的读取，直接转化成为相应的代码检测元件。绝对式光电编码器的编码盘有接触式、光电式和电磁式三种。光电元件通过接收不同码盘位置所产生的光信号，将其转化为相应的电信号，后经过整形放大，最终形成相应的数码电信号。
3、光电编码器测量小车速度
3.1光电编码器测量小车速度的原理
光电编码器是由一个红外发射接受装置和一个码盘构成。当红外光由发射器射出，射于黑色条纹上时，将被间断地反射于接收器上，在接收器的输入端会受到通轮子转速为正比关系的光脉冲信号，进而在接收器的输出端形成具有一定频率的电信号。再利用微处理器对电脉冲进行计算，就可以得到小车的移动速度。其中小车行驶距离L的表达式为：L＝πD/n*nx公式中n为码盘上黑白条纹的个数；D为驱动轮的外径，nx为实际测量中电脉冲政府跳变的次数。小车的行驶速度V的计算表达式为V＝L/t，公式中，t表示时间。
3.2光电编码器测量小车速度的操作
本案例中采用绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相问组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。
首先，选用专门用于用于控制轮式机器人的Handy-board主板和内置光敏集成电路和红外线发射管的P8557红外传感器。在驱动轮上贴32道黑白条纹的圆形码盘，驱动轮轴和码盘的圆心重合，在码盘表面的2mm处进行红外传感器的固定，从而构成反射式增量编码器；其次，执行四次LCD中断程序和一次检测程序。当心中断的程序进行调入时，将TOC4圆心的矢量中断入口地址转嫁于新终端程序。在执行程序时，先执行中断程序，后执行编码器原中断程序；最后，驱动程序采用中断的插入方式，使用中断始终TOC4执行计数。在中断程序调入之后，先进行中断程序的初始化，随即插入编码器相位的中断程序。在执行主中断程序时，先调试编码器状态，然后对编码器进行取样，将取样的编码器状态存入于寄存器当中，再将寄存器调试到上一次的编码器相位取样状态。最后，执行累加操作。对操作中的数据进行统计，将数据带人小车行驶路程L的公式当中，求出L，后根据时间，直接带人到小车行驶的速度V公式当中，进而用光电编码器对小车速度的测量。
4、结 语
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。用光电编码器对小车的速度进行测量虽然能够实现，但是受限于传感器精度和小车自身的机械精度等因素的影响，测量结果存在一些误差。因此，在进行小车速度的测量时，为减小误差，应进行多次测量，取平均值，使得最后的结果更加趋近于正确值。
参考文献：
[1]姜义，光电编码器的原理与应用，机床电器，2010，(2)
篇2
一、矿用转角传感器设计的总体方案
结合矿用环境的特殊性，并根据光学精密机械与物理研究所的单圈绝对式光电轴角编码器研究的特点，给出矿用转交传感器设计总体结构。对于矿用转角传感器的信号采集部分，主要由主轴、轴承、基座组成，发光元件组成照明系统，由线阵CCD组成的信号接收系统。对于光电编码器的光栅信号处理部分，信号前期处理电路主要包括信号采样电路和滤波电路；信号处理部分主要包括CPLD（复杂可编程逻辑器件）和信号存储单元（包括程序存储器和数据存储器）；信号输出部分主要包括并行数据接口和串行数据接口。
二、单圈绝对式光电轴角编码器数据采集系统的硬件结构设计
本文所研究的基于PCI总线的实时数据采集系统的主要功能模块包括：ADS803E模数转换模块、CPLD（EPM7128SQC100
-15）系统逻辑控制模块（或称核心时序控制块）、SRAM（AS7C256-15JC）静态存储器，PCI9052 PCI总线控制。采集系统会将采集到的数据自动存入卡上的静态存储器SRAM（AS7C256-15JC）中，等待采样结束后，通过PCI总线接口芯片，PCI9052将采集的数据从SRAM传输到PCI总线上，所设计的控制逻辑均由复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）来完成。其中A/D转换芯片选用ADS803E，它是TI公司生产具有高信噪比（SFR=69dB）、低功耗（115Mw）的12位ADS803E，自带32K大容量静态缓存等优点的A/D转换芯片。可以设置输入范围为2VP-P和5VP-P作为内置参考电压，并有一个输入电压范围溢出标志，采用数字误差校正技术，用于尺寸测量、光谱测试与分析、图像扫描和AD转换数据采集等。静态存储器采用AS7C256-15JC，它是Alliance Semiconductor公司生产的，最大存储访问时间为15ns，每片的存储容量为32K×8。在初始访问后，CPU处于空闲、中断或扩展模式，AS7C256处于节能状态，可节能25%，并且可以通过CE和OE进行存储扩展。系统逻辑控制模块CPLD选用EPM7128SQC100-15芯片，它是Altera公司生产的。在线编程时，该芯片可以通过4个引脚的JTAG接口进行，以便简化制作程。在本文所设计数据采集系统中，CPLD的主要功能包括：时序分频器、SRAM控制逻辑、地址控制器等等。存储器数据存储的地址控制是由地址控制器完成的。数据由A/D端口写入SRAM，地址控制器根据A/D频率产生递增的SRAM地址。
三、光电编码器照明与接收系统设计
由于单圈绝对式光电轴角编码器的接收元件有别于传统的光电轴角编码器，它是采用线阵CCD作为接收元件，根据上述原则采用了绿色发光二极管作为光源。其亮度可通过外接可调电阻来调节，同时能起到保护发光二极管组的作用，电路较为简单。NEC公司生产的μPD3575D是一种高灵敏度、低暗电流、1024像元的内置采样保持电路和放大电路的线阵CCD图像传感器，主要用于传真、扫描和OCR。在它内部，包含了一列1024像元的光敏二极管以及两列525位CCD电荷转移寄存器。在5V驱动（脉冲）和12V电源条件下，该器件可工作。为了使CCD在光强强弱不同的情况下输出信号，本文以复杂可编程逻辑器件CPLD为核心的一种新型的可提供多种驱动脉冲的驱动电路。MAX十PLUSⅡ开发环境下对μPD3575D的驱动电路进行设计。在MAX十PLUSⅡ环境下通过编译、校验后进行引脚锁定。
四、信号采集系统
本文所采用的信号采集方法是通过CCD输出的视频信号采样，量化编码后再采集到计算机系统。然后经过A/D转换模块存入静态存储器SRAM，采样结束后，通过PCI总线接口芯片，PCI9052将采集的数据从SRAM传输到PCI总线上，再通过计算机处理后给出最终结果。
五、数据处理系统设计
1．系统硬件电路设计。本设计采用C8051单片机，采用24LC01数据存储器，及MAX232数据接口芯片共同组成数据采集处理单元，采用SJA1000CAN和驱动控制器PCA80C250作为通信系统。采用爱立信DC/DC电源模块作为电源部分，将电源转换成+5V工作电压。
2．软件设计。系统软件设计主要实现方位角数据采集、数据处理、数据显示和CAN通信的功能。在软件设计中采用多级复位陷阱，较大地减小了死机的概率，从而提高了整个电路系统的抗干扰能力。该系统软件功能主要包括数据发送模块、数据显示模块、数据采集模块、数据处理模块、异常处理模块五部分。数据显示模块主要完成实时角度显示，数据处理模块主要完成纠错功能，数据采集模块主要完成二进制数据的编码译码功能，数据发送模块主要完成通过CAN总线的数据接收和发送，异常处理模块主要完成系统出现异常后，整个系统可软件复位。
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关键词：AD2S83；旋转变压器反馈；光电编码器反馈；位置闭环环
1 AD2S83芯片介绍
AD2S83利用比率跟踪转换方法将旋变格式输入信号转换为并行自然二进制数字字。这样，当转换器远离旋变器放置时，可以确保具有高抗扰度，并且支持长引线。10、12、14或16位输出字处于三态数字逻辑状态，并通过16路输出数据线以2字节形式提供。BYTE SELECT、ENABLE和引脚确保可轻松地将数据传输至8和16位数据总线，而提供的输出则可通过外部计数器进行周期或俯仰计数。该器件还可以提供与速度成比例的模拟信号，可用于取代转速传感器；工作基准频率范围为50Hz至20，000Hz。
2 编码器工作原理
2.1 编码器输出信号
通常情况下编码器的输出波形如图2所示。当编码器动作时将产生A、B两栩脉冲信号。且A、B两相信号的波形完全相同.仅是存在90°相位差。编码器的运动方向分为正负两个方向：正方向运动时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90°；负方向运动脉冲信号A的相位滞后脉冲信号B的相位90°。
2.2 鉴相及四倍频计数原理
鉴相及四倍频计数原理图如图3所示，在编码器单方向运动过程中，每个周期A、B两相信号总存在四次电平状态的改变；并且A、B两相电平状态改变的顺序总为：10一11一0l—00—lO；因此，在一个周期的信号中可根据A、B两相的4种电平状态的顺序变化对位置脉冲进行细分计数及四倍频计数；同时，根据A、B两相电平的变化顺序来判断编码器的运动方向；可得到四倍频计数脉冲与方向脉冲如图4所示。
3 旋转反馈转光电编码器反馈的实现
3.1 总体方案
方案的总体框图如图4所示，采用分辨率可变的旋变数字转换器AD2S83，作为旋转变压器信号的解码器，可将模拟量的旋变信号转换成1～15位的计数脉冲及方向信号。
AD2S83的分辨率可以选为10、12、14或16位，可以选择各种应用的最优分辨率来使用AD2S83；如果AD2S83的分辨率选择10位时，那么计数脉冲可依据需要选择AD2S83的DB1～DB10其中任一输出，DB1～DB10的输出计数脉冲个数为2^0～2^（10-1），DB11～DB16无输出；依次类推，当分辨率选择16位时，计数脉冲可选择AD2S83的DB1～DB16其中任一输出，DB1～DB16的输出计数脉冲个数为2^0～2^（16-1）。
AD2S83最大计数脉冲个数为32768（转动一圈），相当于一个8192线的光电编码器四倍频后的脉冲个数，AD2S83分辨率、速率及计数脉冲对照表如表1所示；AD2S83解码输出的计数脉冲与方向信号，用来取代光电编码器鉴相及四倍频后得到的计数脉冲与方向脉冲。
3.2 硬件电路
该硬件电路框图如图5所示，电路中AD2S83使用的分辨率为14位，跟踪转速最高达65转/秒（3，900 rpm）。
AD2S83的第2、4、7引脚分别接入单端的激磁信号、余弦信号、正弦信号，作为旋转变压器反馈的输入信号；AD2S83经过解码后，第41引脚VCO O/P信号，为输入旋转变压器信号的实时速度模拟电压（-8VDC～+8VDC）；第37引脚DIRECTION信号，为输入旋转变压器信号的实时方向（0VDC或5VDC即代表输入旋变信号逆转或顺转），用来替代光电编码器鉴相及四倍频后的方向脉冲信号；第23引脚DB14信号，为输入旋转变压器信号的实时速度脉冲信号（包含实时位置信息），用来替代光电编码器鉴相及四倍频后的计数脉冲信号。
3.3 实时编码器反馈波形及速率计算
采用图5硬件电路，作为高精度伺服驱动系统的反馈硬件电路，与伺服电机组成速度闭环控制系统后；在一固定的转速下，用示波器分别监测图5中的方向信号与计数脉冲信号，分别得到顺转时的方向信号及计数脉冲波形、逆转时的方向信号及计数脉冲波形，如图6、图7所示。
图6、图7中，示波器1通道是计数脉冲信号；示波器2通道是方向信号，高电平为顺转，低电平为逆转。用图6中的方向信号及计数脉冲信号计算实时转速，计算如下：
每一秒的脉冲个数：
4、旋转反馈转光电编码器反馈的意义
旋转反馈转光电编码器反馈，既具备了旋转变压器的优点，又具备了光电编码器的优点；其特点如下：
耐振动冲击能力强、抗干扰能力好，具有很高的可靠性；
抗污染能力强，能应用在各种恶劣环境中，具有防尘、防油、防敲击等特点；
灵敏度高、稳定性好，响应速度快；
分辨率高，可根据设备的精度要求选择不同分辨率。
鉴于旋变反馈转光电编码器反馈以上的特点；可应用于工作环境恶劣、高精度要求又高的伺服系统控制场合，比如应用于高精度及大中型数控系统、机器人控制、工业控制、转台控制、武器火力控制、雷达控制及惯性导航领域中。
5、 结束语
旋变反馈转光电编码器反馈，只不过是伺服控制系统反馈中一种方式；该种反馈方式，可以根据需要选择分辨率，以满足不同控制精度的需求；而且用该种反馈方式，作为伺服驱动器的反馈部分，在速度闭环、位置闭环后，能够极大的提高伺服驱动器的控制精度；实际使用该种反馈方式的位置闭环伺服驱动器已经在转台控制、工业控制领域得到了应用。
参考文献
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关键词:数控机床 脉冲编码器 精度检测装置
1 引言
数控机床的定位精度和加工精度在很大的程度上取决于检测装置的精度。它的作用是检测位移量, 是将系统发出的指令信号位置与实际反馈位置相比较,用其差值去控制进给电动机。在数控伺服系统中,通常有两种反馈系统:一种是速度反馈系统,用来测量和控制运动部件的进给速度;另一种是位置反馈系统,用来测量和控制运动部件的位移量。而实际反馈位置的采集,则是由位置检测装置来完成的。这些检测装置有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、接近开关等。
2 精度检测装置原理简述
检测装置种类较多,现以绝对式脉冲编码器的接触式四位绝对编码盘为例,简述其工作原理。图a是绝对式光电编码器的结构图。图b是一个四位二进制编码盘,涂黑部分是导电的,其余是绝缘的,码盘上有四条码道。四个码道并排装有四个电刷,电刷经电阻接到电源正极。码盘最里面的一圈是电源负极。
四位二进制编码盘
由于制造精度和安装质量或工作过程中意外因素,易于引起阅读错误。为此绝对式光电编码盘大多采用格雷码编码盘,图c为4位格雷码盘。其特点是任何两个相邻数码间只有一位是变化的, 这样即使制作和安装不太准确,产生的误差最多也只是最低位的一位数。还可消除非单值性误差。
3 精度检测装置
3.1脉冲编码器检测装置
脉冲编码器,是一种旋转式脉冲发生器,能把机械转角变成电脉冲。是数控机床上使用最多的角位移检测传感器。编码器除了可以测量角位移外,还可以通过测量光电脉冲的频率。经过变换电路也可用于速度检测,同时作为速度检测装置。
脉冲编码器可分为光电式、接触式和电磁感应式三种。从精度和可靠性来看,光电式较好,光电式脉冲编码器可以用于角度检测,也可用于速度检测。所以在数控机床上通常使用光电式脉冲编码器。
(1) 光电式脉冲编码器
光电式脉冲编码器可分为增量式脉冲编码器和绝对式脉冲编码器。
光电脉冲编码器是按它每转发出的脉冲数的多少来分,有几种型号,数控机床最常用的脉冲编码器有2000脉冲/r,每转脉冲位移量/mm有2,3,4,5,8;2500脉冲/r;每转脉冲位移量/mm有5,10;3000脉冲/r,每转脉冲位移量/mm3,6,12。
增量式脉冲编码器由光源、光敏元件、透光狭缝、码盘基片、光板、透明镜、A/D转换线路及数字显示装置组成。绝对式光电编码器是一种直接编码式的测量元件,通过读取编码盘上的图案确定轴的位置没有积累误差。
(2) 混合式绝对值编码器
混合式绝对值编码器是把增量制码与绝对制码同做在一码盘上。圆盘的最外圈是高密度的增量制条纹, 其中间分布在4圈圆环上有4个二进制位循环码,每1/4圆由4位二进制循环码分割成16个等分位置。在圆盘最里圈仍有发一转信号的窄缝条。由循环码读出的4×16个位置/转,代表了一圈的粗计角度检测,它和交流伺服电机4对磁极的结构相对应,可实现对交流伺服电机的磁场位置进行有效的控制。
3.2其它检测装置
旋转变压器,是一种控制用的微电动机,将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号,工作原理和普通变压器基本相似。结构简单, 抗干扰能力强,工作可靠,动作灵敏,对环境没有特殊要求,一般用于精度要求不高机床的粗测及中测系统。
感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置,二者工作原理相同,其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。主要部件包括定尺和滑尺,定尺和滑尺分别安装在机床床身和移动部件上。感应同步器分成直线式和旋转式两大类,分别用于长度测量和角度测量。
光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成,光栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化。
接近开关类型有电感式、电容式、霍尔式、光电式、干簧管式等多种形式。它具有体积小、无抖动、无触头、无接触检测等特点。
数控机床精度检测装置通常有模拟式和数字式,数字式检测装置能够直接将非电量转换为数字量,不需要A/D转换,直接用数字显示。数字式检测装置与模拟式检测装置相比优点有测量精度和分辨率高,稳定性好,抗干扰能力强,便于与微机接口,适宜远距离传输等。数字式检测装置可以测量线位移,也可以测量角位移,常用的数字位置检测装置有编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅等。
4 结语
综上所述,位置精度检测装置非常重要,它是数控机床伺服系统的重要组成部分,其作用是检测位移和速度,发送反馈信号,构成闭环或半闭环控制环节。检测系统决定了数控机床的加工精度。了解数控机床位置检测元件的工作原理,掌握了数控机床的位置测量装置的作用与特点,就能正确选用位置检测元件,从而保证数控机床的加工精度。
参考文献:
[1] 刘祖其主编.机床电气控制与PLC[M].北京:高等教育出版社,2009.3.
[2] 廖兆荣主编.数控机床电气控制[M].北京:高等教育出版社,2005.1.
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【关键词】步进电机；步距角；闭环控制；脉冲信号
1.应用背景
在超声波清洗机的工作过程中，为了提高工作效率，减轻工人工作负荷，实现清洗过程自动化，设计了该直线运动定位系统。该系统可以实现沿直线方向的往复运动，运动过程中任意时刻，可改变运动方向及运动速度，亦可快速定位到运动范围内的特定位置。
2.硬件及结构组成
该系统硬件组成主要包括：单片机、步进电机驱动器、步进电机、光电编码器、位置传感器、柔性联轴器、滚珠丝杠组件、直线滑轨组件、执行器连接器。
如图1所示，其中：1.步进电机，2.光电编码器，3.位置传感器，4.柔性联轴器，5.滚珠丝杠组件，6.直线滑轨组件，7.执行器连接器。
3.控制方法及工作流程
3.1步进电机控制
选用两项四线混合步进电机，步进电机的步距角为1.8°。步进电机旋转一周所需的脉冲数为：n=360°/1.8°=200。步进电机控制信号由单片机根据不同的转速要求发出相应频率的脉冲给步进电机驱动器，步进的及驱动器根据脉冲的频率驱动电机。电机旋转的同时带动光电编码器同步旋转，光电编码器发出的信号反馈给步进电机驱动器完成整个闭环控制。步进电机驱动器通过光电编码器反馈信号与自身发出的脉冲信号对比，可及时发现步进电机的过冲、丢步等运行错误并自动完成修正。
3.2执行器连接器位置标定
为实现定位至运动范围内的特定位置的功能，需要沿导轨方向在运动范围内为步进电机建立一维坐标系，并为执行器连接器所在的位置标定对应的坐标。标定方法如下：
将执行器连接器向起始位置移动，当起始位置传感器发出信号后，步进电机停止转动。该位置记为起始位置，编码为0。将执行器连接器向终止位置移动，当终止位置传感器发出信号后，步进电机停止转动。该位置记为终止位置，编码为光电编码器从起始位置到终止位置记录的编码数，记为N0。使用1000线光电编码器，则从起始位置运动至距离起始位置1（单位：mm）对应的步进电机脉冲数为：
3.3直线运动系统工作流程
4.总结
通过使用位置传感器和光电编码器实现了执行器连接器运动边界标定，执行器连接器精确定位。在直线滑轨保证直线运动方向精度的基础上，使用滚珠丝杠和步进电机及光电编码器组成的闭环控制系统实现了执行器连接器的高精度移动。此直线运动定位系统不受运动范围限制，运动范围改变仅需对系统坐标系重新标定；在横向和纵向分别布置，亦可实现二维空间的精确定位及移动。 [科]
篇6
关键词：
1.转动天线角度测量方式演变
831台在用的1号和2号ZT-1型转动天线，是我国自行试制的第一副大功率、高增益、宽频段、多方位短波同相水平转动天线。
天线角度取样初期是采用与转动天线中心支柱同步联动大齿轮带动固定位置的转换机构再带动光电码盘方式来实现。光电码盘编码方式采用BCD码（如表1），其上同轴开十圈透光孔，光源通过透光孔对光敏电阻进行照射采样，信号经逻辑判断后送至个、十、百位0-9十层数码管显示相应数字，从而准确指示位置信息。
此方式在使用中由于机械磨损造成转动天线中心支柱偏心，打坏的大齿轮跳齿，致使天线实际位置与指示位置不一致；再加上取样用的光电码盘产品落后，体积较大，光源不稳定，经常出现漏码，造成天线定位精度低。
经改造后将原采样结构改为弹性随动取样结构，克服天线中心偏心问题，将原光电码盘改为KOYO公司的TRD-NA系列绝对值型旋转编码器。它属于一种超小型、高速响应、采用金属光栅、输出为无读取误差的格雷码编码器。绝对值型编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16 线......编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的亮、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器，这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码；抗干扰能力强，没用累积误差，体积小；电源切断后位置信息不会丢失，它不受停电、干扰的影响。
2.格雷码（又叫循环二进制码或反射二进制码）介绍
格雷码(Gray Code)是一种绝对编码方式，对应旋转角度以格雷码形式并行输出绝对位置值。格雷二进制码是为了弥补二进制码的缺陷而产生的代码。因为在二进制码中当从某一个数到下一个数变化时，可能同时有2个以上的数据位发生变化，例如从十进制的3转换为4时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲，由于对各位读取的时序上的差异，可能造成读出错误。为了解决此问题，设计一种代码，使其在从任一数到下一数变化时，只有一个数据位变化，以避免读取错误，这样的代码即格雷二进制码，是一种错误最小化的编码方式。而且无需计数器，它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫格雷反射码或循环码。下面以四位代码为例，由格雷码与二进制码的对照表导出两种代码相互转换的逻辑表达式（如表1）：
表1
十进制数
BCD码
自然二进制数
格雷码
十进制数
BCD码
自然二进制数
格雷码
0000
0000
0000
8
1000
1000
1100
1
0001
0001
0001
9
1001
1001
1101
2
0010
0010
0011
10
1010
1111
3
0011
0011
0010
11
1011
1110
4
0100
0100
0110
12
1100
1010
5
0101
0101
0111
13
1101
1011
6
0110
0110
0101
14
1110
1001
7
0111
0111
0100
15
1111
1000
格雷码转换成自然二进制码,其法则是保留格雷码的最高位作为自然二进制码的最高位，而次高位自然二进制码为高位自然二进制码与次高位格雷码相异或，而自然二进制码的其余各位与次高位自然二进制码的求法相类似。
某二进制格雷码为 Gn-1 Gn-2...G2 G1 G0
其对应的自然二进制码为 Bn-1 Bn-2...B2 B1 B0
其中：最高位保留--- Bn-1 =Gn-1
其他各位--- Bi-1 =Gi-1异或Bi i=1,2...，n-1
3.天线角度的测量
篇7
关键词：数控车床 主轴编码器 数控故障
一、主轴编码器的作用和工作原理
主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，通过中间轴上的齿轮1∶1地同步传动。数控车床的车螺纹加工时，为了满足切削螺距的需要，要求主轴每转一周，刀具准确地移动一个螺距（导程）。系统通过主轴编码器的反馈脉冲信号实现主轴旋转与进给轴的插补功能，完成主轴位置脉冲的计数与进给同步控制。此外，主轴编码器还可实现恒线速度切削控制。
光电脉冲发生器的原理如图1所示。在漏光盘上，沿圆周刻有两圈条纹，外圈为圆周等分线条，例如：1024条，作为发送脉冲用，内圈仅1条。在光栏上，刻有透光条纹A、B、C，A与B之间的距离应保证当条纹A与漏光盘上任一条纹重合时，条纹B应与漏光盘上另一条纹的重合度错位1/4周期。在光栏的每一条纹的后面均安置光敏三极管一只，构成一条输出通道。
图1 光电脉冲发生器的原理图
灯泡发出的散射光线经过聚光镜聚光后成为平行光线，当漏光盘与主轴同步旋转时，由于漏光盘上的条纹与光栏上的条纹出现重合和错位，使光敏管受到光线亮、暗的变化，引起光敏管内电流大小发生变化，变化的信号电流经整流放大电路输出矩形脉冲。由于条纹A与漏光盘条纹重合时，条纹B与另一条纹错位1/4周期，因此 A、B两通道输出的波形相位也相差1/4周期。
脉冲发生器中漏光盘内圈的一条刻线与光栏上条纹C重合时输出的脉冲为同步（起步，又称零位）脉冲。利用同步脉冲，数控车床可实现加工控制，也可作为主轴准停装置的准停信号。数控车床车螺纹时，利用同步脉冲作为车刀进刀点和退刀点的控制信号，以保证车削螺纹不会乱扣。
主轴编码器一般与主轴采用1∶1齿轮传动且采用同步带连接，编码器为1024脉冲／转，经过系统4倍频电路得到4096个脉冲。其信号及连接如图2所示。
二、主轴编码器常见故障及处理
1.不执行螺纹加工的故障及处理
系统工作原理：数控车床螺纹加工的工作原理是主轴旋转与Z轴进给之间的插补。当执行螺纹加工指令时，系统得到主轴位置检测装置发出的一转信号后开始进行螺纹加工，根据主轴的位置反馈脉冲进行Z轴的插补控制，即主轴转一周，Z轴进给一个螺距或一个导程。
图2 主轴位置编码器信号及接线
产生故障的原因：
（1）主轴编码器与系统之间的连接不良。
（2）主轴编码器的位置信号PA、＊PA、PB、＊PB不良或连接电缆断开。
（3）主轴编码器的一转信号PZ、＊Z不良或连接电缆断开。
（4）系统或主轴放大器故障。
故障处理：对于故障产生原因（1），可通过检查连接电缆接口及电缆的校线查到故障并修复。对于故障产生原因（2），可通过系统显示装置上是否有主轴速度显示来判别，如查无主轴速度显示则为该类故障。对于故障产生原因（3），可通过加工指令G99（每转进给加工）和G98（每分进给加工）切换来判别，如果G98进给切削正常而G99进给不执行，则为该类故障。如果以上故障都排除，则为系统本身故障，即系统存储板或主板故障。
2.加工时出现“乱扣”的故障及处理
系统工作原理：一般的螺纹加工要经过几次切削才能完成，每次重复切削时，开始进刀的位置必须相同。为了保证重复切削不乱扣，数控系统在接收主轴编码器中的一转信号后才开始螺纹切削的计算。
产生故障原因及处理：当系统得到的一转信号不稳时，就会出现“乱扣”现象。产生故障的原因是主轴编码器的连接不良、主轴编码器的一转信号或信号电缆不良、主轴编码器内部有脏东西或编码器本身不良。如果以上故障排除后系统还乱扣，则需要检查系统或主轴放大器。
3.螺纹加工出现螺距不稳故障及处理
系统工作原理：数控车床螺纹加工时，主轴旋转与Z轴进给时进行插补控制，即主轴转一周，Z轴进给一个螺距或一个导程。
产生故障原因如下。
（1）如果产生螺距误差是随机的：产生故障的可能原因是主轴编码器连接不良、主轴编码器内部太脏、Z轴位置编码器不良、Z轴电动机与Z轴连接松动。
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【关键词】STM32;步进电机;细分驱动
1.引言
随着我国经济的快速发展，体育娱乐赛事中的直升飞机以及私人飞机的需求量不断扩大。目前，我国正在试点开放部分区域进行低空飞行。但是，按照我国现有的城市管理水平和设施情况来说，开放低空飞行必将面临不少困难。保障飞行安全做好低空飞行预警是开放低空飞行的首要的技术瓶颈。低空预警雷达的有效使用实现了低空飞行预警，为低空领域的开放起到了一定的技术支持作用。但低空预警雷达仍具有局限性，不能提供直观的图像信息。
光电技术的快速发展，使得机（车、船）载光电监视跟踪系统广泛应用于制导、侦查、火控、光电对抗以及体育、消防、环境监控、公共安全等领域。光电监视跟踪系统能够提供直观、清晰的图像信息，有效的弥补了低空预警雷达的不足之处。
光电监视跟踪系统配合雷达使用，为监管部门提供空中目标的方位、距离、高度等情报信息，利用可见光摄像机和红外热像仪传感器组合，对需要进行监控的区域进行全天时视频探测与监视。本文主要是对低空预警光电监控跟踪系统中的伺服控制子系统进行研究。
2.总体方案设计
2.1 控制方案
光电监视跟踪系统根据雷达探测到目标的位置信息，算出方位电机和俯仰电机的角度值，然后转换成脉冲数。通过对脉冲的控制进而控制方位轴和俯仰轴的运动，达到实时跟踪。光电监测跟踪系统的总体框图如图1所示。
图1光电监视跟踪系统总体框图
上位PC机把经图像处理得出的坐标偏差通过串口协议下载给运动控制器，运动控制器经过计算得到偏差角数据，并发出相应的方向脉冲和pwm控制脉冲信号给二维转台的步进电机驱动器，直接调整两个电机的转向和转速。由光电编码器实现系统的闭环控制，提高控制精度。二维转台原理框图如图2所示。
图2 二维转台原理框图
2.2 结构方案
转台结构主要有敞开式U型、封闭式0型和T型。U型和T型结构对称性差、结构刚度小、结构较复杂、体积大，常用于低速摆动工况，一般用于中框架和外框架。0型结构对称性好、结构刚度大，结构简单，体积小，常用于高速整圈旋转，一般用于中框架和内框架。
本系统的结构方案拟采用O型框架作为方位轴框架，U型框架作为俯仰轴框架。图3为转台结构图。
图3 转台结构图
3.硬件系统设计
系统硬件平台是完成运动目标自动跟踪的重要保证，根据需要拟设计一套硬件平台：采用STM32F103RBT6作为转台控制系统主要的硬件处理器，以及转台步进电机及其驱动器，光电编码器，光电耦合器等。基于STM32F103RBT6的转台控制功能模块如图4所示。
图4 基于STM32F10X的转台控制功能模块
3.1 STM32F103RBT6控制器
STM32F103RBT6拥有的资源包括128KB FLASH、20KB SRAM、2个SPI、3个串口、一个USB、1个CAN、2个12位的ADC（16通道）、RTC、DMA、4个16位定时器、51个可用的I/O脚等。步进电机通过脉冲和方向的方式进行控制，而STM32F103RBT6的定时器都可以用来产生PWM输出，STM32F103RBT6最多可以同时产生30路PWM输出，完全可以脉冲步进电机的需求。
3.2 步进电机及驱动器
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直线运动的执行机构，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度即步距角。利用STM32F103RBT6产生PWM脉冲信号和方向信号来控制驱动器，进而控制步进电机，并通过改变PWM脉冲信号频率实现步进电机的变速控制过程。通过软件控制PWM脉冲串的疏密来控制运动过程中的加减速，加密脉冲串可实现加速过程，稀疏脉冲串可实现减少过程。步进电机采用细分驱动技术，细分步距角，提高定位精度。
本系统方位电机和俯仰电机均使用57HS09型两相混合式步进电机，步进电机的步距角为1.8°。为提高转台转速稳定性所采用的具有细分功能的两相混合式步进电机驱动是DM442，最大细分数为25600步数/转。控制器，步进电机及驱动器的连线图如图5所示。
3.3 光电编码器
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。在选择光电编码器时，要考虑被测元件的精度，要使它能与被测元件的精度相匹配，一般编码器的精度要高于被测元件的精度。
图5 连线图
4.软件系统设计
性能要求、完整、可靠的硬件系统设计是整体设计的前提条件，完善有效的软件设计才能发挥硬件资源的潜力，最终实现系统的功能要求。
主程序是控制系统的核心部分，主要完成系统的初始化（I/O口、串行通信接口、定时器等的初始化），计数器周期寄存器初值的计算，各标志位的置位与复位，接收光电编码器信号，中断配置，系统自检等功能。主程序完成初始化后，进入循环等待中断。中断程序完成对上位机下传数据的接收，并根据相应的算法将接收数据转化成方向脉冲和PWM控制脉冲。主程序控制流程如图6所示。
图6 主程序控制流程图
5.结论
通过实验室验证可知，基于STM32的伺服控制系统能够实现，达到实验要求，为样机设计提供了一定的理论和实验基础。
参考文献
[1]史伟会.太阳自动跟踪系统研究[D].上海：东华大学，2011.
[2]张春光.太阳能电池板二维自动跟踪系统的研究[D].山西：太原科技大学，2013.
[3]胖莹.基于STM32的太阳跟踪控制系统的设计与研究[D].河北：燕山大学，2012.
篇9
【关键词】雷达伺服系统；C8051F020；步进电机
0 引言
雷达伺服控制系统用来控制天线动作，搜索各个方位的目标，实现天线的自动控制的系统。控制系统是由机械传动部分和驱动控制电路组成。系统的结构组成和其它的反馈系统没有本质上的区别，它是由若干元件和部件组成的具有功率放大电路的一种自动控制系统。
该系统实现控制雷达天线的正转、反转、步进、停止，实现人机对话，还要考虑到功耗低、体积小、便于携带的特点，在使用时应该具有高可靠性、传输误码率小，同时还要还要具有开机测试、电池电压采样，欠压报警等辅助功能。本文是基于C8051F020单片机的设计，结合实际要求，将具体介绍该系统的硬件电路原理及软件系统构建。
1 系统整体方案设计
本方案是为了实现对雷达天线的中心角度调整以及在方位上的扫描速度和扫描范围的控制，采用准闭环控制系统，控制步进电机接受控制脉冲一步一步地旋转，防止出现积累误差。此方案采用Silabs公司开发的C8051F020单片机作为主控制器，NS公司推出的LMD18245作为步进电机驱动器，当单片机接收到终端命令时，控制步进电机进行相应的动作，系统中光电编码器与步进电机同轴，光电编码器将步进电机的动作反馈回单片机，从而实现对雷达天线的闭环控制。该系统通过RS232A串口进行通信和调试。系统总框图（图1）如下：
2 硬件电路设计
硬件电路主要包括主控C8051F020和驱动器LMD16245构成的控制电机电路、编码器读数经过整形电路回馈给主控的反馈电路、主控和串口芯片构成的通信和测试电路、电池电压采样电路及欠压报警电路。
主控单片机C8051F020是一款真正独立工作的片上系统，将C8051F020用于嵌入式控制系统，可大量减少器件，充分发挥C8051F020的高速度特点，大大提高了系统的集成度。内部包含数字电路和模拟电路，在设计时应该将模拟电源和数字电源分别连接，最后要通过磁珠（或电感）连接在一起；由于步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，电路中采用光电耦合器将主控单片机与步进电机隔离，这样可以避免单片机与步进电机功率回路的共地干扰。单片机控制信号LVTTL和光电编码器与控制电机之间的和TTL电平之间用74LV4245进行电平转换。原理图模块设计如下介绍：
2.1 光电隔离
采用光耦集成电路TLP521实现隔离，不需要复杂的设计，就能达到防止干扰的目的。由于光耦的输入端电流较大，直接使用CPU的引脚驱动会对CPU产生较大的电流冲击，所以先用74LVX4245进行驱动，然后控制光耦工作。
2.2 电平转换
CPU及电路用3.3V供电，CPU引脚直接输出的是LVTTL电平，为了与外部TTL电平兼容，并且提高驱动能力与减少干扰，采用集成电路74LVX4245实现电平转换。
2.3 驱动电路
驱动电路采用集成电路LMD18245，最大输出电流3A，内部含16细分电路，也可以外接电路再细分，电路简单。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。
2.4 电源转换电路（DC/DC）
驱动部分电路容易受到干扰，与CPU部分的供电电源分开，利用2个DC/DC集成电路产生2路5V电压，一路提供给光电编码器，并经变换提供给CPU，另一路提供给光藕和驱动电路的逻辑电平。
2.5 JTAG
片内JTAG接口可直接对对安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、实时在系统仿真调试。该调试系统支持观察和修改存储器及寄存器，支持断点、单步、运行和停止命令。在使用JTAG调试时，所有模拟和数字外设都可全功能运行。
3 软件部分设计
本系统采用角度与速度准双闭环控制。角度反馈是伺服的主反馈回路，时实角度由光电编码器采集得到；速度反馈是一个局部反馈回路，前次的速度值只是软件的记忆值，外部没有速度传感器，所以在本文中称为准双闭环控制。在任何时刻当角度与速度发生变化时，系统都必须响应，速度值的控制由软件设置中断周期来完成，编写程序时，特别注意中断、存储器、运算符号位的管理，提高系统的可靠性。主流程图如图2所示。
4 结论
本文提出的基于C8051F020的雷达伺服控制系统在雷达整机样机中调试通过，并能够正常的工作。使用细分驱动器更加精确的控制了步进电机的相电流，大大的改善了电机的振动和噪音，消除了电机的低频振荡，提高了电机的输出转矩。单片机C8051F020本身就是低功耗设计，还可以通过改变系统时钟、复位源及片上外设等状态来节省功耗。
【参考文献】
[1]http：//.cn＼datasheets＼C8051F02x.pdf[OL].
[2]http：//＼LMD18245.pdf[OL].
篇10
关键词 步进电动机 数字侍服系统 光电编码器
中图分类号：TM383.6 文献标识码：A
The Design of Stepper Motor Digital Servo Control System
PAI Zhongmei
(Jiangsu Wuxi Technician School, Wuxi, Jiangsu 214000)
Abstract The stepper motor has simple structure, and speed control is relatively easy to implement, with high precision, can achieve high-precision open-loop positioning control. The control circuit of this operation mode is simple economic, do not need to position detection components, is a practical digital servo feed system, as long as the static and dynamic performance to meet the requirements, should first consider using this system. But in large load or high-speed, this system may be out of step or lack of precision, this paper introduces two digital servo systems which can solve these problems.
Key words stepper motor; digital servo system; optical encoder
1 反馈补偿式步进电动机进给数字侍服控制系统
步进电动机的转动能跟随每一个指令脉冲，在运行结束时所走的总行程正好等于输出脉冲的个数乘以步距。然而，由于开环控制没有位置反馈检测，导致无法知道是否丢失了脉冲；另外，电动机的响应速度受负载大小的影响，所以，步进电动机的开环控制性能受到了一些限制。由于上述原因，近年来出现了反馈补偿式步进电动机侍服系统。这种系统基本上解决了步进电动机丢失脉冲的问题，图1所示是反馈补偿式步进电动机进给侍服系统的结构框图。步进电机将所给的电脉冲信号转变成角位移或线位移，而环形分配器则按规定的方式将电脉冲信号分配给步进电机的各相励磁绕组，使各相励磁绕组在电脉冲信号的控制下工作。脉冲功率放大器能实现电机的功率驱动、电流控制及多种保护功能。该电路与开环系统不同的是，这里在步进电机的轴上安装了脉冲编码器，脉冲编码器将步进电动机的转动转换成脉冲输出，输出脉冲被送到反馈处理电路中。指令脉冲和反馈脉冲均送入补偿控制器中进行比较，补偿控制器根据指令脉冲和反馈脉冲之差向后面的环形脉冲分配器发出脉冲，以驱动步进电动机运转。补偿控制器是整个系统的核心。这里需要指出的是反馈处理电路有两个作用：
（1）由于脉冲编码器每转一周输出的脉冲个数与步进电动机每转一周所走过的步数不一定一样，所以需要反馈处理电路起适配的作用。
（2）反馈处理电路应当将脉冲编码器的输出脉冲转换成正、反转反馈计数脉冲。与反馈脉冲一样，指令脉冲也有正转和反转两个通道。
图1 反馈补偿式步进电动机进给数字侍服控制系统
2 带光电编码盘的直流伺服速度控制系统
图2是传统的直流伺服速度控制系统，该系统的缺点是：当步进电动机运转一段时间以后，随着工作时间加长电动机的温度会不断的上升，而反馈元器件――测速发电动机，与步进电动机同轴连接，导致测速电动机温度也会随之上升。测速发电机的转子线圈切割磁力线产生电动势，其值为
=
式中 ――测速发电机的输出电动势
――电势系数
图2 传统直流伺服速度控制系统原理框图
图3 采用光电编码器的直流伺服速度控制系统原理框图
在通常情况下，是个常数，测速电动机所产生的电动势与转速。成正比。实际工作中，电动机工作后温度会有所上升，也会随之发生变化，一般情况是下降的。由于变小，所以也随之变小。但此时电动机转速却并没有下降，通过转换，反馈到速度环的电压会上升，使电动机的转速上升，通过公式 = 可知，电动势会随之上升，从而达到维持不变。可是，给定值不变但电机的实际转速在慢慢上升，这势必引起电动机转速误差的增大。我们根据实际的测量，一般来说电动机温度每上升100℃，电动机转速的误差就会相应的增大1%~3%。所以该系统虽能满足控制精度较低的产品的需求，但对于控制精度要求高的场合就不适用了。
为了提高电动机的控制精度，这里在电路中增加光电编码器，它与电动机同轴安装，可以输出与电机转速成正比的输出的脉冲信号频率，该脉冲频率通过F/V（频压）转换为反映转速高低的模拟信号。模拟信号与给定的信号比较，就可以准确测出电动机的转速（如图3）。
步进电机是一种离散运动控制装置，通过以上两种方法，可以步进电机的控制精度，使其更加适应数字伺服系统的发展。
参考文献
[1] 贺昱曜.运动控制系统.西安电子科技大学出版社.
