采用光电旋转码盘对步进电机进行定位
作者：何国华
来源：《中国新通信》2014年第10期
        【摘要】 由于光电码盘具有分辨率高、响应速度快、体积小、输出稳定、耐恶劣环境等特点，所以在电机伺服控制系统中得到了广泛应用。本文介绍了如何采用光电旋转码盘对步进电机的位置进行定位以及如何解决因系统的不完善性及使用和维护不当造成的问题。
        【关键词】 光电码盘 光栅盘 步进电机 数字量传感器
        一、步进电机原理
        步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100%）。步进电机的运行要由步进电机驱动器进行驱动，它是把控制系统发出的脉冲信号转换为步进电机的角位移。因此，步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，通过控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；通过控制步进脉冲的个数，即可对电机精确定位。
        二、光电码盘原理
        步进电机的位置采用光电旋转码盘进行定位，光电码盘学名光电编码器，由光栅盘和光电检测装置组成，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，是目前应用最多的传感器。
        工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接收，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”，即A、B两组脉冲。当码盘旋转在不同位置时，光敏元件输出若干脉冲信号的组合反映出一定规律的数字量，代表了码盘轴的角位移。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。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。原理如图1所示。
        光电码盘有A、B、Z三相输出，A相和B相输出占空比为50%的方波。A在线进制转换计算、B两组脉冲相位差90°，从而可方便地判断出旋转方向，码盘每旋转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲。码盘正向旋转时，A相比B相超前1/4周期；反向旋转时，B相比A相超前1/4周期，如图2所示。
        而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。计数过程由可编程计数器或微处理器内部定时/计数器实现计数，经计数器计数后，转化为相对位置。将可调元件的实际位置采用光电码盘的计数测量与要求的预置值进行数字运算比较，其误差在数字上等于零。根据比较误差来控制执行电机转动：当预置值大于实际值，控制电机正转；当预置值小于实际值，控制电机反转；当预置值等于实际值，控制电机不转。当需控制的电机数量较多时，采用FPGA实现会更为简单。
        增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲。
        三、控制示意图
        用每转1000个脉冲（0.360/单脉冲）的光电码盘完成电机控制板内的数字计数，极大提高计算精度。以单路电机控制为例，其控制示意图如图3所示：
        四、运行中问题及解决
        （1）安装：在选在编码器中有A、B、Z三相输出，A 和 B 为脉冲信号 通过对AB两相进行正交计数来实现计数和判向，Z 为零点位置信号，编码器每旋转一圈 Z相会输出一个零点脉冲，用来作为一个起始位置标记。所以在安装中要特别注意中轴切口与Z相起始位置的对应。如图4所示：
        D切口一定要与原点位置（Z相标记）一致，如果不能达到严格一致，D点可以前置原点一些角度，最好不要超过30°，千万不能滞后原点，如果滞后原点，在转动过程中会产生很大的误差。
        （2）振动：当码盘的震动幅度超过四分之一周期的长度时，就会触发FPGA内计数器，导致误计数开始。虽然FPGA内部增加了滤波消抖电路，但是由于这种来自码盘的干扰达到了正常的AB脉冲宽度，导致芯片无法识别这种干扰的真实性，电机实际数字在不停地增大或者减小的现象。
        为了减少振动给编码器带来的影响， 光电编码器和步进电机可采用一个齿轮连接，齿轮采用了一种特殊的齿轮，张力弹簧拼合齿轮装置，如图5所示。
        （3）干扰：存在干扰时，干扰信号会触发控制芯片，导致电机误动作。采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性，一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力，因为空间电磁场在线上产生的干扰电流可以互相抵消。双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小，两线对干扰线路的距离基本相等，两线对屏蔽网的分布电容也基本相同，这对抑制共模干扰效果更加明显。另外，要保证屏蔽层良好 接地。
        五、结束语
        用旋转式光电码盘作为位置传感器，将角位移转换成二进制码或脉冲串完成步进电机控制，可以对电机更为精确调速和精确定位，在现代传动系统中广泛应用。