增量式光电编码器开题报告

1、1本课题研究的背景、目的及意义 光电编码器在现代电机控制系统中常常用以检测转子的位置与速度，它是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，具有高精度、高分辨力、低能耗、输出稳定等优点，在军事、航天、机器人、生物工程等领域的精密测量与控制设备中得到广泛应用。增量式光电编码器作为广电编码器的一种，它是是新型的脉冲式伺服元件, 可以直接将角位移转变成脉冲信号, 用于检测被测对象的运动方向、运动位移、旋转速度等。在电机伺服数字控制领域得到广泛的应用。增量式光电编码器作为一种体积小、精度高、响应速度快、性能稳定的转速与位置传感器在测控领域得到了广泛的应用。它的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，

2、可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到位置检测的目的。它是由光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和电子线路组成。如图1所示：光源 透镜 主光栅码盘 鉴向盘 透镜 光敏元件 放大整形 脉冲输出转轴 图1 增量式光电编码器的工作原理图增量式光电编码器的工作原理是是由旋转轴转动带动在径向有均匀窄缝的主光栅码盘旋转，在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘，在鉴向盘上有两条彼此错开90o相位的窄缝，并分别有

3、光敏二极管接收主光栅码盘透过来的信号。工作时，鉴向盘不动，主光栅码盘随转子旋转，光源经透镜平行射向主光栅码盘，通过主光栅码盘和鉴向盘后由光敏二极管接收相位差90o的近似正弦信号，再由逻辑电路形成转向信号和计数脉冲信号。为了获得绝对位置角，在增量式光电编码器有零位脉冲，即主光栅每旋转一周，输出一个零位脉冲，使位置角清零。增量式编码器具有一系列优点，所以无论在高精度的计量领域里，还是在一般精度的位移转换器中，都得到了广泛的应用。目前，编码器主要有以下方面的应用 ：(l)长度和角度的精密测量：在线值测量方面，光栅式测量主要应用在高精度、大量程、高分辨率的仪器中，如工具显微镜和三坐标测量机等。在光栅式

4、圆分度测量装置中，由于一般采用均匀布置多个读数头的方法，故读数精度和测量精度大为提高。(2)数字跟踪、位移量同步比较测量：应用运动比较制成了齿轮传动链测试仪、丝杆动态测量仪和光栅检验仪等。近几年，利用莫尔条纹技术适于长、短距离测量的特点，研制的一种激光准直跟踪和定位系统，定向精度达到了0.12/5m，对于工业环境的中远距离的定位准直和跟踪具有很大的推广价值。(3)在形变测试中的应用：应变分析中的莫尔法是通过变形光栅传递信息，但是它不是影子光栅，而是贴在试件上并与之一起变形的实体光栅，通常称为试件光栅，另一块不变形的光栅称为基准光栅。目前，针对残余应力对零件、部件及结构的质量、使用寿命等有很大影

5、响的情况进行检测的新方法也己经得到了验证，其灵敏度可以达到0.025。(4)在数控机床中的应用：当前在数控机床的检测系统中，光栅原理的应用也很普遍。目前的发展趋势是采用中等精度简易型的光栅系统，使其成本降低，以便能与感应同步起和磁栅等检测元件相抗衡。现今,光电编码器被越来越多地用于角度的测量,由于它在测量角度方面的优越性,已成为一种重要的角度传感器。本课题将增量式编码器的数据采集和信号处理模块相结合，完成从采集电机转速（或角位移）信号到信号处理后输出电机转速（或角位移）的整个过程，其中主要包括：数据采集电路，鉴向计数电路，过程通道传输电路，A/D转换电路，编码器与单片机的接口电路，四倍频测量电

6、路，信号处理及输出模块。在本次毕业设计中，涉及到了很多与专业有关的知识，比如单片机技术，A/D转换电路等。通过此次设计，必将使我加深对单片机原理，计算机控制技术的了解，巩固了我在课堂里所学到的知识，让我能更好的将理论联系实际，将自己所学到的理论知识正确的应用到实际的工作中去。通过毕业设计可以强化我对基本知识和基本技能的理解和掌握,培养我收集资料和调查研究的能力, 也能够考察我对所学知识的掌握程度，也可以在一定程度上，锻炼我独立工作能力和培养我的自觉性。毕业设计通过查阅书籍，自己动手，完成毕业设计任务和撰写论文等环节，着重培养学生综合分析和解决问题的能力和独立工作的能力、组织管理和社交能力；同时

7、，对学生的思想品德，工作态度及作风等方面都会有很大的影响。对于增强事业心和责任感，提高毕业生在校期间的最后学习和综合训练阶段；是学习深化、拓宽、综合运用所学知识的重要过程；是学生学习、研究与实践成果的全面总结；是学生综合素质与实践能力的培养效果的全面检验；是实现学生从学习到岗位工作的过渡环节；是衡量高等教育质量和办学效益的重要评价内容。2本课题主要研究内容和预期目标(1) 数据采集电路的设计预期目标：在进行数据采集时保证数据的准确性与实时性，利用软件方法消除硬件上难以消除的抖动，减小数据采集时的误差与扰动干扰，实现高速度、高精度增量型编码器的数据采集。(2) 鉴向计数电路的设计预期目标：在数据

8、采集之后，对数据进行鉴向计数分析，输出稳定且误差较小的脉冲信号(3)过程通道传输电路、A/D转换电路及与单片机接口电路的设计预期目标：将采集到的数据进行信号调理与A/D转换，并传送给单片机进行识别并检测，最终计算出电机转速（或角位移）。(4)四倍频测量电路的设计预期目标：在信号处理电路中采用一种用于编码区的四倍频测量电路，用以提高被控对象的测量精度和控制精度。3本课题拟采用的研究方法、步骤 本课题采用增量式光电编码器将转速（或角位移）转换成脉冲信号，对脉冲进行消除误差和误码处理，再利用四倍频测量电路将脉冲信号放大，消除信号上的抖动，最后传送给单片机进行识别并检测，最终计算出电机转速（或角位移）

9、。本课题主要研究以下四个步骤：(1) 数据采集模块检测A相一个周期中的同一个边沿位置，如果在此边沿位置检测到一个上升沿，则对应编码器的一个旋转方向；如果在此边沿位置检测到一个下降沿，则对应编码器的另一个旋转方向。B相为高电平时，若检测到A相为上升沿，则可判断出编码器输出波形的运动方向为从左向右，即编码器为逆时针方向旋转；若检测到A相为下降沿，则可判断出编码器输出波形的运动方向为从右向左，即编码器为顺时针方向旋转；B相为低电平的情况可类推。(2) 鉴向计数电路的设计增量式光电编码器的计数鉴向方法很多，可通过软件方式，也可通过硬件电路实现，其鉴向计数原理基本一致。当编码器正转时A相超前于B相90&

10、#176;，当光电编码器反转时,B相超前于A相90°。根据信号的状态转化可以判别处编码器的转向，计数有3种分频方式：不倍频、二倍频、四倍频。在实际低速工作状态下，由于编码器在光窗边缘停滞时间长或发生方向改变!可能会引起在某一相信号上的抖动。(3) 过程通道传输与单片机接口电路的设计无“误码”的信号调理电路：编码器正向运动时，电路的F端由脉冲信号输出；反向运动时，端有脉冲信号物出编码器正向运动时, 当信号的上升沿来时, 信号出现一个负脉冲反向运动时, 信号的下降沿来时, 信号出现一个负脉冲。若计数电路是通过记录、信号的下降沿来进行脉冲计数的, 这就使得正向运动时计数电路在信号的上升沿处

11、记录一个正向脉冲反向运动时, 计数电路在信号的下降处记录一个反向脉冲。编码器物理位置上, 正向运动时信号出现上升沿的点与反向运动时信号出现下降沿的点是重合的。所以采用该信号调理电路将不会产生换向误码。脉冲计数电路：采用单片机的计数处理电路，用单片机的计数器记录正向运动的脉冲数, 计数器计满溢出时, 向单片机请求一次中断, 单片机记录溢出的次数。同样的方法, 用计数器记录反向运动的脉冲数。单片机通过计数器的溢出次数、计数常数和当前的计数值即可求得位置或速度值。编码器的零位标志可接单片机的外部中断请求末端, 这样即可用技术常数信号通知单片机目前编码器处于零位。(4) 四倍频测量电路的设计将A或B信

12、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/8 ,从而使光电编码器的角位移测量精度提高4倍。如图2所示：增量编码器四倍频计数AB两路信号加减脉冲信号图2 四倍频计数原理4本课题主要参考文献1 Palla-Areny Ramon,et al.传感器和信号调节.2版M.张伦,译.北京：清华大学出版社,2003.2 任树梅,蒋圣平,郝晓剑.用位置敏感传感器进行位移测试的技术研究J.测试技术学报,2002,16(2)：127131.3 钱峰.EZ-USB FX2单片机原理、编程及应用M.北京：北京航空航天大学出版社,20064 鲜浩,任爱芝,盛仲.增量式编码器数据采集.华北工学院学报,2

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