增量式编码器

机器人运维进程中,电机转动会生出各样困扰信号。通过两组电源给机器人驱动系统和决定连串供电,以消弭困扰对平安的熏陶。

码盘加陀螺仪的办法在使用进度中窥见陀螺仪的角度会趁机机械振动爆发漂移,影响定位精度。

光电编码器,是一种集光、机、电为一体的数字测角装置。作为一种主要的角度传感器,在重重天地用途广泛。光电编码器的主题部件是光电器件,它是能将光能转换为电能的一种传感器。光电转换的反驳功底是光电效果,即金属、半导体等资料在光照下放出出光电子的现象。近来随着科技(science and technology)的前行,古板的光学编码器在利用中设有不少不能够克制的技艺难点,尤其是在航天、自控等领域对袖珍传感器的渴求越来越高,须要光学编码器向高精度、高分辨率、小型化和智能化趋势前行。

1.1  编码器概述

光电编码器是一种将位移或角度的模拟信号转换到相应的电脉冲或数字量角度/角速度检测元件,具有精度高、体量小、工作牢靠、接口数字化等优点。光电编码器一般由透镜、光栅盘(码盘)、光敏元件和放大整形电路组成。工作时,光栅盘与电动机同速旋转,同时一个带有辨向狭缝(或狭缝群)的扇形薄片与圆盘平行放置,当光线通过那多少个做相对运动的光栅盘时,光敏元件接受到的光通量也时大时小地屡次三番变化,经放大整形电路处理后改成脉冲信号。通过测量捕捉到的脉冲数目和功效即可测出工作轴的拐角和转发。而电机的当前转化通过每秒光电编码器输出脉冲的个数可以统计出来。编码器原理图如下图所示:

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1.2  编码器的品种和行事原理

依据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。依据其刻度方法及信号输出格局,可分为增量式、相对式以及混合式三种。相对编码器是一向出口数字量的传感器,在转轴的人身自由地方都可读出多个定位的与岗位相呼应的数字码。编码盘上沿径向有若干同心码道,码道越来越多,分辨率越高,相邻码道的扇区数目是双倍关系。工作时,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。对于二个负有N位二进制分辨率的编码器,其码盘必须有N条码道。近年来境内已有十四位的相对编码器产品。相对式编码器图案如下图所示。

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相对式编码器与增量式编码器不相同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形,与增量式编码器比较,相对编码器有若干编码,依据码盘上的读数信息,检测相对地方。它的性状是

(1)      可以直接读出角度坐标的相对值。

(2)      抗困扰个性强、数据的可相信性大大进步,没有积攒误差。

(3)      分辨率是由二进制的位数决定的。

(4)     
不受停电、干扰的震慑,哪天必要理解地点,哪天就去读取它的任务。

增量编码器是以脉冲方式出口的传感器。输出的信号为方波信号,其中又可以分为带换向信号的增量式编码器和日常的增量式编码器,普通的增量式编码器具备两相正交方波脉冲输出信号A、B,以及零位信号Z。通过中间七个光敏接收管转化其角度码盘的时序和相位关系,拿到其角度位移量扩展和削减。利用光电转换的规律输出三组方波脉冲A、B、Z相。A、B两组脉冲相位差90度,从而有利于的判断旋转方向,故而增量编码器又叫正交编码器(如下图)。

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编码器旋转一圈会输出固定的脉冲,脉冲数由编码器光栅线数控制。必要增强分辨率时,可采纳90度相位差的A、B两路信号实行倍频或换用更高分辨率编码器。Z相为每转三个脉冲,只在一定的地点才会爆发脉冲,用于基准点定位。

带换相信号的增量式编码器除具备ABZ输出信号外,还富有互差120度的电子换相信号UVW,UVW各自的每转周期数与电动机转子的磁极对数一致。对于此类编码器,在那不探究。

航天科工,增量式光电编码相对角位移量通过计数电路对脉冲举行累计计数得到,其特点是结构不难、抗困扰能力强、可信性高、机械平均寿命长、价格低廉,非凡适合竞技机器人,大家接纳的增量式编码器一HEDS
5540,实物图

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1.3  速度、方向、转角的测量

增量式光电编码器输出三组脉冲A, B和Z相,A,
B两组脉冲相位差90度,而Z相为每转2个脉冲,用于基准点定位。利用A,
B和Z相可以达成转速的测量、运动方向的判定以及转角的测量。当编码器正转时,A相脉冲波形比B相超前
,而反转时,A相脉冲比B相滞后 。

增量式光电编码器种类有各个不一致档次的输出电路可供接纳,其出口电路类型一般有:带上拉电阻的
NPN 型、集电极开路 NPN 型、推挽输出型、差分输出型。

M测量法(适用于高转速场地)测量固定时间间隔内脉冲个数来规定转速。

T测量法(适用于低转速场所)测量相邻脉冲之间的日子距离来规定转速。

(1)        转速测量

(2)        方向判别

光电编码器的检测窄缝群相位相差90度,可暴发两列频率可变、固定四分一周期相位差(即90度)的正交编码脉冲系列A和B。当光电编码器正转时,光线首先通过检测窄缝群爆发A信号的高电平,即A相超前B相90度;与之相反,当光电编码器反转时,A相则战败B相90度。如下图所示。

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因此可得,光电编码器输出脉冲的个数鲜明具体的地点和计量运动的快慢,而使得轮的移位方向能够因此两组脉冲信号A相和B相的相位差来(上涨沿的上下相继)判断。

(3)        位移总计

编码器安装在与积极轮同轴的从动轮上,与积极轮同步转动。设从动轮周长为L,编码器线数(旋转一周脉冲数即500)为M,t时间输出的脉冲数为N,t时间轮子走过的偏离△S就是:通过方向输出引脚是高电平如故低电平决定是加计数依旧减计数。

1.4  利用单片机举办码盘计数的办法

(1)        常规格局:

文献\[2\]中涉嫌了码盘的四倍频来贯彻增进码盘精度的法子,以及码盘信号的震荡去除电路,同时提交了码盘辩向的点子。在应用单片机举办测量码盘信号时,本文结合实际境况提交了有关的参数总括,即所选择单片机是还是不是可以用来测量码盘信号以及刹车程序能够处理的指令数,对于单片机初学者有必然的点拨意义。杂谈前边提供了C语言程序,方便读者精晓。总体而言,此文切中时弊,思路清晰。当然,对于内部提到的jitter去除的电路的效能有待进一步探讨。此种方法一般在51单片机、AV安德拉及Arduino等单片机上使用较多。

(2)        特殊方式:

用健康办法有时候可能用起来比较复杂,还亟需本身规划搭建jitter化解电路。而近期用的重重的STM32F1~STM32F4等接二连三串的单片机已经集成了编码器接口,具体参见《STM32参考手册》13.3.12编码器接口形式。

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 STM32F4自带的正交码盘配置库函数

void TIM_EncoderInterfaceConfig  ( TIM_TypeDef *  TIMx, 

  uint16_t  TIM_EncoderMode, 

  uint16_t  TIM_IC1Polarity, 

  uint16_t  TIM_IC2Polarity 

 )   

 

 

 2.结论

用STM32F1~F4单片机都能很好的出举行增量式编码器的数目收集,此外STM32还带滤波功效。

 

 

 

参考文献

[1]    
基于双码盘的较量机器人移动控制连串规划与研商,海洋学院,李金彦,骆德渊,二零零六.5

[2]    
基于单片机的增量式编码器计数系统,仪表技术与传感器,吴禄慎,熊辉,高项清,二〇一三.No.9。

 

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