编码器换向误码输出原因探讨及鉴相电路改进

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００５年第２９卷　石油大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｃｈｉｎａ　Ｖ０１，２９　ＮＯ．４　Ａｕｇ．２００５　第４期　文章编号：１０００—５８７０（２００５）０４—００９１—０４　编码器换向误码输出原因探讨及鉴相电路改进　孙祥明，齐明侠，沈　蓉　（中国石油大学机电工程学院，山东东营２５７０６１）　摘要　：从编码器的结构特点出发，探讨了编码器频繁换向时输出信号中存在误码脉冲的原因。根据编码器输出信号　不能同时跳变的特点，设计了一种更简单有效的双向触发鉴相电路。该电路通过标记两相输出信号跳变时刻的状　态，经过一定的逻辑与运算，有效地滤除了输出信号中存在的误码脉冲。经实验室应用证明，该电路具有较好的误　码滤除效果，为编码器内部电路的改进及其输出信号的数字处理提供了一种新思路。　关键词：光电编码器；误码滤除；换向；鉴相电路；改进　中图分类号：ＴＭ　１３１．４５　文献标识码：Ａ　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｆｏｒ　ｅｘｐｏｒｔ　ｅｒｒｏｒｓ　ｗｉｔｈ　ｅｎｃｏｄｅｒ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｈａｓｅ　ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ　ａｍｅｌｉｏｒａｔｉｏｎ　ＳＵＮ　Ｘｉａｎｇ—ｍｉｎｇ，ＱＩ　Ｍｉｎｇ—ｘｉａ，ＳＨＥＮ　Ｒｏｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｗｅｒｓｉｔｙ，ｆＰｅｏｔｒｏｌｅｕｍ，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ　２５７０６１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ａ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｃｏｄｅｒ，ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｆｏｒ　ｅｒｒｏｒｓ　ａｐｐｅａｒｉｎｇ　ｉｎ　ｅｘｐｏｒｔ　ｐｕｌｓｅｓ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｅｎｃｏｄｅｒ　ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ　ａｌｔｅｍａｔｅｓ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ａ　ｓｉｍｐｌｅｒ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｕｓｅｆｕｌ　ｐｈａｓｅ　ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ　Ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｅｘｐｏｒｔ　ｐｕｌｓｅｓ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｃｈａｎｇｅ　ａｔ　ｔｈｅ　８ａｉｎｅ　ｔｉｍｅ．Ｔｈｉｓ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｍａｒｋｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｅｘｐｏｒｔ　ｐｕｌｓｅｓ　ｗｈｅｎ　ｏｎｅ　ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ　ｃｈａｎｇｅｓ，ｔｏ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｆｉｌｔｅｒ　ｔｈｅ　ｅｒｒｏｒｓ　ｉｎ　ｅｘｐｏｒｔ　ｐｕｌｓｅｓ　ｂｙ　ｓｏｍｅ　ｌｏｇｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，Ｔｈｅ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ａｐｐｌｉａｔｉｃｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｌｔｅｒ—　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｓｔｉｅｆｉｓ　ｔｈａｔｅ　ｔｈｉｓ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｈａｓ　ｐｒｅｆｅｒａｂｌｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｅｒｒｏｒｓ．Ａｎｄ　ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｏｆｆｅｒｅｄ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｉｓｉｎｄｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｅｎｃｄｅｏｒ　ｎｄ　ｄｅａａｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅｓ　ｏｆ　ｅｎｃｏｄｅｒ　ｅｘｐｏｒｔ　ｉｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＤＳＰ）ｃｈｉｐ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｅｌｃｔｒｅｉｃ　ｅｎｃｏｄｅｒ；ｅｒｒｏｒ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ａｌｔｅｒｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；ｐｈａｓｅ　ｄｉｃｒｓｉｉｎａｔｍｏｒ；ａｍｅｌｉｏｒａｔｉｏｎ　增量式光电编码器是一种测量精度较高的传感　器ｌ１ｊ。它可以将位移等物理量转变为数字脉冲信　号，通过计算脉冲的个数，实现精确的位移测量【２ｌ。　１编码器输出信号中存在误码脉冲的　原因分析　１．１编码器工作原理　然而，当编码器输出信号中含有误码脉冲时，将会引　起测量结果的失真。因此，在计算脉冲个数之前，需　要用鉴相方法滤除输出信号中存在的误码脉冲。常　编码器内部光源产生平行光，透过编码器码盘　上的窄缝，照射在光电管上，其内部电路将光信号转　用的鉴相方法可归结为两类：识别输出信号的变化　次序１３］，标记输出信号在跳变时刻的状态＿４ｊ。前者　在软、硬件实现的过程中都比较繁琐，而且耗费的资　换为标准的脉冲信号，即是编码器的输出信号。编　码器码盘上有两列窄缝Ａ与Ｂ，其位置相位差为　９０。，对应输出信号是Ａ相信号和Ｂ相信号。在工　作中，Ａ相和Ｂ相信号的状态只有４种组合形式，而　且它们不能同时发生跳变。　在位移测量过程中，可以采用外部可逆计数器　计算脉冲（Ａ相或Ｂ相）的个数，但是编码器本身不　能“记忆”其运行状态，需要鉴相部分来判别编码器　源也颇大，后者在硬件实现的过程中相对简单容易，　但误码脉冲滤除质量不高。为此，笔者在分析编码　器输出信号存在误码脉冲原因的基础上，提出一种　简单有效的双向触发鉴相方法，以有效滤除两相输　出信号中的误码脉冲。　收稿日期：２００４　１２　１０　作者简介：孙祥明（１９７９一），男（汉族），山东日照人，硕士，主要从事机电系统测量与控制方面的研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com ９２　·　石油大学学报（自然科学版）　２００５年８月　的旋转方向和确定计算器加减运算法则。　１．２误码脉冲产生的原因　因此只能从编码器的鉴相方法人手，识别并消除输出　信号中的误码脉冲，提取有效的计数脉冲信号，避免　测量结果出现失真。　为了说明误码脉冲的存在性，局部放大编码器　码盘．如图１（ａ）所示。图中点０是编码器旋转轴的　中心，粗黑色线段代表码盘上Ａ列和Ｂ列透光狭　缝。假定编码器光源位于图ｌ（ａ）所示的圆圈中央，　２编码器鉴相方法改进　２．１鉴相方法Ｉ　光电管对应位于码盘的另一侧。此时，编码器Ａ相　信号处于高电平状态，而Ｂ相信号处于高低电平跳　变的交界状态。　鉴相方法工是在Ｂ相信号上升沿时刻检测Ａ　相信号的状态：如果Ａ相信号为高电平，则编码器　是正方向运转，可逆计数器在Ｂ相信号下一个上升　由于编码器无锁定装置，其旋转轴易受外力（如　沿到来时进行加脉冲运算；当Ａ相信号为低电平　时，编码器是反方向运转，可逆计数器在Ｂ相信号　下一个上升沿到来时进行减脉冲运算。　编码器鉴相方法工的硬件实现如图２（ａ）所示。　它采用Ｂ相信号上升沿触发的办法，由Ｄ触发器　风力、机械振动等）影响而产生小幅度的抖动　一。　在透光狭缝（Ｂ列）边缘的作用下，光电管（Ｂ相）接　收到的光信号将是交替变化的。假定编码器旋转轴　出现某种抖动状态，码盘上Ｓ点在圆圈范围内运　动，其输出信号的波形如图ｌ（ｂ）所示。　７４ＬＳ７４第５管脚信号Ｕ识别编码器的旋转方向；　输出信号通过逻辑运算（并延时）后，获得信号ＣＬＫ　送人计数器进行脉冲计算。该鉴相电路的脉冲计数　部分和相位辨别部分相互孤立，没有必要的牵制关　系，致使部分误码信号参加了脉冲计算，造成了测量　９　（ａ）码盘局部放大　（ｂ）输出信号的波形　结果的失真。鉴于这种思想，改进设计得到鉴相方　法Ⅱ。　图１编码器码盘局部放大图及其小幅　抖动时输出信号的波形　２．２鉴相方法Ⅱ　倘若采用鉴相方法工，对图ｌ（ｂ）所示的脉冲信　号进行处理，则编码器位移测量的结果是：可逆计数　器一直进行加脉冲运算，编码器一直处于正向运转　的状态。实际上，编码器旋转轴基本未发生转动，这　样位移测量结果就出现了失真。　鉴相方法Ⅱ由输出信号单方向（上升沿或下降　沿）的触发信息，得到判别编码器旋转方向的信号，　同时与脉冲计数信号相互牵制，达到互锁的功能。　编码器鉴相方法Ⅱ的硬件实现如图２（ｂ）所示。　它应用Ｄ触发器７４ＬＳ７４上升沿触发，得到第５管　脚和第６管脚信号分别与编码器输出信号进行逻辑　运算，获得编码器的正向旋转ＵＰ信号和逆向旋转　ＤＯＷＮ信号，送人计数器进行脉冲计算。　由此可知，码盘狭缝边缘是编码器输出信号中产　生误码脉冲的根源，不合理的鉴相方法是测量结果失　真的催化剂。码盘狭缝边缘是客观存在的物理结构，　７４ＬＳ００　７４ＬＳ００　７４ＬＳ００　７４ＬＳ００　（ａ）　（ｂ）　图２两种鉴相方法的硬件电路图　图２（ｂ）所示的鉴相电路，虽然具有互锁的功　信号，编码器测量结果显然会出现失真的情况。　能，但不能有效地消除误码脉冲。例如，当Ａ相信　号一直处于低电平状态，而Ｂ相信号中含有误码脉　通过分析可知，鉴相方法工和鉴相方法Ⅱ的共　同缺点是判别编码器旋转方向的信号都来源于Ｂ　冲时，逆向旋转ＤＯＷＮ信号中将出现大量的脉冲　相脉冲单方向（上升沿或下降沿）的触发。有鉴于　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２９卷第４期　孙祥明等：编码器换向误码输出原因探讨及鉴相电路改进　·９３．　此，可以设计一种双向触发的鉴相方法Ⅲ。　２．３鉴相方法Ⅲ　鉴相方法Ⅲ是根据编码器输出信号不能同时跳　变的性质，在Ｂ相信号上升沿和下降沿时刻（即双　向触发），分别检测Ａ相输出信号的状态，由此判别　编码器旋转方向的信号，提取有效的计数脉冲。　编码器鉴相方法Ⅲ的硬件实现如图３所示。其　中Ａ和Ｂ分别为光电编码器Ａ相和Ｂ相输出信号，　信号ＡＢＳ和ＡＢｘ分别为Ａ相信号在Ｂ相信号上升沿　和下降沿时刻的状态，信号ｕＰ和ＤＯＷＮ分别为可　逆计数器正向、反向计数脉冲。　图３所示的鉴相电路采用了双Ｄ触发器　７４ＬＳ７４，上面的Ｄ触发器用来检测　的状态，而下　面的Ｄ触发器用来检测ＡＢｘ的状态。应用三输入与　非门７４ＬＳ１０确保信号　≠ＡＢｘ，同时从Ｂ相信号　中提取编码器的正向旋转ＵＰ信号和逆向旋转　ＤＯＷＮ信号。　图３鉴相方法Ⅲ的硬件电路图　倘若Ｂ相信号中含有误码脉冲，会出现ＡＢＳ＝　ＡＢｘ的情况。此时，与非门７４Ｉ＿５１０输出端的ｕＰ信　号和ＤＯＷＮ信号恒为高电平状态。因此可知，它　滤除了Ｂ相信号中存在的误码脉冲，提取了有效的　计数脉冲ＵＰ信号和ＤＯＷＮ信号。　在实际应用中，该鉴相电路工作正常，即便Ｂ　相信号中含有误码脉冲，编码器也不会出现测量失　真的问题。但是，当Ａ相信号中含有误码脉冲时，　会频繁出现ＡＢＳ≠　的状态，容易引起计数器错误　运算。因此，需要继续完善这种鉴相方法。　２．４鉴相方法Ⅳ　鉴相方法Ⅳ是在Ｂ相信号（Ａ相信号）上升沿和　下降沿时刻，分别检测Ａ相信号（Ｂ相信号）的状态，　由此通过一定的逻辑运算，滤除编码器两相输出信　号中存在的误码脉冲，并提取有效的计数脉冲。它　不是由鉴相方法Ⅲ进行简单的两相叠加，而是同时　捕捉两相信号跳变时刻的状态，通过逻辑运算进行　相互牵制、制约。　编码器鉴相方法Ⅳ的硬件实现如图４所示。其　中信号ＩＡ、ＩＢ分别为Ａ相信号和Ｂ相信号的取反，　信号　为Ａ相信号在Ｂ相信号上升沿时刻的状　态，信号ＡＢＸ是Ａ相信号在Ｂ相信号下降沿时刻状　态的取反，信号ＢＡＳ为Ｂ相信号在Ａ相信号上升沿　时刻的状态，信号百Ａ）（是Ｂ相信号在Ａ相信号下降　沿时刻状态的取反，信号ＨＡ、ＨＢ分别是从Ａ相信　号和Ｂ相信号提取的计数脉冲信号。　图４所示的鉴相电路采用了四Ｄ触发器　７４ＬＳ７４，上面双Ｄ触发器用来检测在Ｂ相信号中是　否存在误码脉冲，而下面双Ｄ触发器用来检测在Ａ　相信号中是否存在误码脉冲。其中，与门７４ＬＳ０８　将误码脉冲滤除为低电平，提取有效的计数脉冲信　号ＨＡ、Ｉ－ＩＢ，确保编码器位移测量的准确性。该鉴相　电路的特点是同时捕捉编码器输出信号上升沿和下　降沿的时刻，并检测两相信号的状态，通过特定的逻　辑与运算后，有效地滤除了输出信号中存在的误码　脉冲　图４鉴相方法Ⅳ的硬件电路图　３鉴相方法Ⅳ的有效性验证　应用有关仿真软件，对图４所示的电路图进行　了电路仿真。假定编码器输出信号中含有误码脉　冲，用仿真方法验证该电路能有效地滤除这些误码　脉冲。　应用两个７４ＬＳ７４集成块、两个７４ＬＳ０８集成块　和一个７４ＬＳ０４集成块，完成图４所示的鉴相电路。　在实验中，将步进电机输出轴和编码器旋转轴柔性　联接，控制步进电机的驱动脉冲和方向电平，促使编　码器旋转轴出现各种运动状态，跟踪测量各处信号　维普资讯 http://www.cqvip.com ９４·　石油大学学报（自然科学版）　２００５年８月　的状态，得到如表１所示的实验结果。编码器型号　号为５７ＢＹＧ０９６，电机步距角为０．０４５。，方向电平频　为Ｅ６Ｂ２一ＣＷＺ３Ｅ，测量精度为６００　Ｐ／Ｒ；步进电机型　率为２００　Ｉ－Ｉｚ。　表１模拟编码器旋转轴运动实验结果　由实验结果分析可知，该鉴相电路输出信号　工大学出版社，１９９６．　ＨＡ和ｌｉｂ不再含有误码脉冲。由此，验证了该鉴相　［３］　陈敏捷，田国璋．旋转编码器的抗抖动计数电路［Ｊ］．　电路的有效性。　电子技术应用，２００１（１１）：７０—７５．　Ｃ｝也Ｎ　Ｍｉｎ＿ｊｉｅ，ＴＩＡＮ　Ｇｕｏ－ｚｈａｎｇ．Ｔｈｅ　ｃｏｕｎｔｅｒ　ａｎｄ　ａｎｔｉ—　４结　论　ｊａｍｍｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ｒｏｔａｒｙ　ｅｎｃｏｄｅｒ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２００１（１１）：７０—７５．　（１）编码器码盘狭缝边缘是其输出信号中含有　［４］　应秀华，徐兵．一种光电编码器数字滤波电路的误计　误码脉冲的根源，不合理的鉴相方法是编码器测量　数原因探讨［Ｊ］．机床与液压，２ｏ０２（４）：１３—１４．　结果失真的催化剂。　ＹＩＮＧ　Ｘｉｕ—ｈｕａ，ＸＵ　Ｂｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｒｅａ—　（２）电路仿真和实验应用验证了鉴相方法Ⅳ能　ｓｏｎ　ｆｏ　ｔｈｅ　ｍｉｓｃｏｕｎｔ　ｉｎ　ａｎ　ｅｎｃｃ￣ｅｒ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｆｉｌｔｅｒ［Ｊ］．／ｖｉａ—　有效地滤除误码脉冲信号。　ｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２００２（４）：１３—１４．　（３）鉴相方法Ⅳ为误码滤除电路的设计提供了　［５］邱宏安，朱治富．一种高精度旋转编码器单片机计数　依据，同时也为编码器内部电路的改进及其输出信　电路的实现［Ｊ］．计算机自动测量与控制，２０００，８　号的数字处理提供了一种新思路。　（３）：５０—５５．　ＱＩＵ　Ｈｏｎｇ－ａｎ，ＺＨＵ　Ｚｈｉ—ｆｕ．Ａｎ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｆｏ　ｈｉｇｈ　参考文献：　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｃｏｕｎｔｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ｒｏｔａｒｙ　ｅｎｃｏｄｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｉｎ—　［１］陈强，等．机械系统的微机控制［Ｍ］．北京：清华大学　ｇｌｃｅｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆　出版社，１９９９．　Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０００，８（３）：５０—５５．　［２］张建民，等．机电一体化系统设计［Ｍ］．北京：北京理　（编辑沈玉英）　（上接第８６页）　大学出版社，１９９４．１１５—１２１．　蜡原油触变过程中弹性应力和粘性应力随剪切时间　［２］ＢＡＲＮＥＳ　Ｈ　Ａ．Ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｙ－ａ　ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｊ　Ｎｏｎ—Ｎｅｗｔｏ—　变化的规律。　ｎｉａｎ　Ｆｌｕｉｄ　Ｍｅｃｈ，１９９７，７０：１—３３．　（２）本触变模型具有参数较少、计算方便和精度　［３］黄筑平．连续介质力学基础［Ｍ］．北京：高等教育出　较高的特点。能够准确地描述凝点附近含蜡原油在　版社，２００３．１８０—１９６．　单一剪切率下的触变行为。　［４］　ＭＵＪＵＭＤＡＲ　Ａ．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｐｌ　ｎ　ｎ朗ａ　ｉｎ　ｔｈｉｘｏｔｒ￣ｃ　ｓｙｓ－　ｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｊ　Ｎｏｎ－Ｎｅｗｔｏｎｉａｎ　Ｈｕｉｄ　Ｍｅｃｈ，２００２，１０２：１５７—　（３）在一定温度下，如果能够获得含蜡原油在若　１７８．　干个剪切率下的触变实验数据，就可用此触变模型　［５］ＱＵＥＭＡＤＡ　Ｄ，ＤＲＯＺ　Ｒ．Ｂｌ０。ｄ　ｖｉｓｃ￣ｌａｓｉｆｃｉｔｙ　ａｎｄ　拟合出模型参数，以预测其在其他剪切率下的触变　ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｙ　ｆｒｏｍ　ｓｎ℃ｓｓ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ　ｎ　ａ鲺Ｊｒ℃一　行为，用于计算停输管道的再启动压力。　ｎ１印ｃ：ａ　ｕｎｉｉｆｅｄ　ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｂｉｏｒｈｅｏｌｏｇｙ，１９８３，３０：６３５—　６５１．　参考文献：　［６］杨晓静．含蜡原油触变模型的研究与应用［Ｄ］．北京：　［１］罗哲呜，李传宪．原油流变性及测量［Ｍ］．东营：石油　石油大学，２００４．　（编辑沈玉英）