数控机床中光电编码器计数电路设计木粉机

数控机床中光电编码器计数电路设计

数控机床中光电编码器计数电路设计 2011： Design of Count Circuit of Encoder in CNC Machine ToolXU YonghuaAbstracts：When an encoder works in environment with high frequency vibration, the output signal of the encoder will be distorted. This will generate errors to the count result. So we designed a simple circuit to reduce this kind of errors. Experiments prove that the circuit is feasible and efficient.Key Words：CNC Machine, Encoder, Count Circuit▲1　引言　　光电编码器是一种高精度的角位置测量传感器，在数控车床中常用于检测主轴系统的转速和角位移，也经常在伺服系统中用于检测伺服电机的转速［1，4］。但是，光电编码器在其安装基座的机械振动激励下，会不可避免地导致其主码盘的振动，从而引起输出波形的畸变，最终引起计数错误，使伺服驱动系统不能正常运行，影响数控机床的加工精度和定位精度［3］。为此，可以采用数字滤波的方法来减少计数误差［2］，但存在以下缺点：　　(1)数字滤波要占用CPU时间，而且随着所用光电编码器数量的增加而增加，故不能适应较大系统的要求。　　(2)数控车床进行螺纹插补时，需要准确读取光电编码器的计数值，以获取主轴位置信息，但此时CPU没有时间进行数字滤波。　　基于以上原因，我们对光电编码器常用的判向和计数电路进行了改进，较好地解决了由于振动引起的计数误差。2　常规光电编码器的判向和计数电路　　通常，光电编码器的输出信号由A和B相位差90°的两路方波组成，可用D触发器作为判向器，由门电路和可逆计数器完成计数功能(图1)。图1　编码器常用判向计数电路　　当光电编码器顺时针方向旋转时，A相信号在相位上超前B相信号1/4周期(图2)。经过D触发器后，Q1为高电平，Q2为低电平，于是，C1有计数脉冲，可接入双向计数器的“+”端，而C2保持为低电平。反之，当逆时针方向旋转时，C1将保持低电平，C2形成的计数脉冲可作为双向计数器“-”端的输入信号，从而完成对光电编码器输出信号的计数。图2　常用判向计数电路的信号3　误差扼制电路的设计原理及实现　　由于外部激振力的作用，使光电编码器的主码盘和鉴相盘之间不能再保持原来正确的位置关系，产生的信号经内部整形后，其A、B两相输出信号不可能再得到理想的方波信号，可能叠加若干个高频方波干扰脉冲，若采用图1所示的计数电路，那么干扰脉冲也将进入计数器，引起计数误差。为此我们对图1所示的电路加以改进，利用电路对信号的延迟和门电路的逻辑运算能力来消除振动引起的高频方波干扰脉冲，防止误计数(图3)。图3　方波干扰扼制电路框图　　由于信号经过D触发器需要一定的时间ty，因此，相对于t时刻的信号A(t)、B(t)，第i级的D触发器的输出信号Qi和i将在t+i×ty时刻建立。因此，若电路有m级D触发器组成，那么，将在m×ty时间内，每隔ty产生一个信号Qi和i(i=1,2,…m)，这些信号经过“与”运算后，得到用于顺时针方向的计数信号C+和逆时针方向的计数信号C-，见下式。　　考虑光电编码器顺时针方向旋转，当在(t,t+m×ty)内某一时刻，信号A、B的相位差由于振动而被破坏并产生高频干扰脉冲时，此干扰信号到达计数器的必要条件是Q1，Q2…Qm全为“1”，但是，由于D触发器的延迟作用，而使Q1，Q2…Qm全为“1”的可能性得到扼制。若按等概率计算，高频干扰信号经过m级D触发器到达计数器的概率为1/2m。4　实验　　为了验证该方法的有效性，我们设计了一个验证电路(图4)。(a)　误差信号扼制电路

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