论文研究-基于FPGA的增量式光电编码器的高精度计数 .pdf

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基于FPGA的增量式光电编码器的高精度计数,吕利山,李治全,采用FPGA对增量式编码器输出的脉冲进行高分辨率位置数据处理。这一方法在FPGA内部使用一个计数器对由A,B相信号生成四倍频信号Q的周�
国武技论文在线 伺服屮断 T 图四倍频脉冲细分的原理 在多数的高速高精度运动控制场合,四倍频信号的最高频率为 在 内部 采用锁相环可以牛成一个百兆的高频时钟,使用此时钟对τ和进行计数。在伺服时钟下 降沿到来时刻,读出这两个寄存器的计数值,并转入除法器进行除法运算。要求除法器在伺 服时钟上升沿到来之前运算完毕,并将位置脉冲数的整数部分和小数部分整合在一起放到位 置反馈寄存器中。在伺服时钟的上升沿时刻,运动控制将位置反馈寄存器中的数据读 走 编码器高精度计数的 实现方案 正交编码器信号的预滤波 为了防止编码器输入信号的噪声抖动,正父的,信号进入之后需要作一次 取判决的数字滤波,以实现对信号抖动的滤除,其实现原理如图所示。 of 3 原ng SCK 图编码器相信号消除抖动 触发器由 内部的一个高频时钟驱动。小」一个 时钟周期的噪声抖 动,都不能通过这滤波器。这样做 相信号都引入了两个时钟周期的延时, 而这一延时对于大多数实际的系统都可以忽略不计。 编码器细分计数的实现 四倍频信号的整数部分计数 本文采用的 芯片为 公司的 Ⅱ系列的 输入时 国武技论文在线 钟的频率为40Mhz。在内部使用锁相环倍出个 的高频时钟 用 米分别检测,相信号的上升沿和下降沿,以生成四倍频信号 由于电机可以正转和反转。在正转的时候每遇到一个信号的上升沿,计数器加 反向转的时候每遇到一个信号的上升沿,计数器减一。所以为了完成对四倍频信号的 正确计数,需要同时生成四倍频信号的方向信号。在电机转动过程中, 相信号的 相对关系有两种情况,如图所示。 日← 正转 反转 图正反转相信号的相位关系 电机在转动过程中 相信号之间的关系见表。可以利用这种正交的关系去判断 电机的转动方向。 表正交,相信弓相互关系 检测沿 正转 为 为 为 为 反转 为 为 这要求 在检测某相信号的跳变沿的同吋,需要检测另·相信号的电平,根据衣 的关系来桷定电机转动的方向。这样对于相和相信号的每个跳变沿,都精确的给出了 其所对应的计数方向。 小数部分的计算 在 控制器中,伺服中断信号每来一次,完成一次对位置信号的读取。其具 体过程为, 的 生伺服中断,伺服信号山高电平下跳为低电平,伺服检测到 伺服中断信号的下降沿,将位置反馈寄存器的数值准备好。在伺服中淅信号由低电平跳变为 高电平时刻, 立即读取位置反馈寄存器的数值。因此小数部分细分计算在伺服时钟的 卜降沿廾始,在伺服时钟的上升沿之前结束。 为了得到小数部分需要定义两个变量(本文在实现时采用位的变量)和 是个加法计数器,是·个寄器。在四倍频信号的上升沿结束之后, 以 的频率进行加法计数。在下个四倍频信号的上升沿到来的时候, 的值被赋 ,同时 清零,并重新开始计数。 这样在伺服中断发生的时刻,计数器记录了超出整数个脉冲的时间τ, 记录了信号的前一个完整周期时间。伺服中断信号的下降沿到来时刻 和 被送入除法器去进行除法运算,除法运算的结果就是四倍频计数的小数部分。 算法在 环境中的实现 本文采用 语言,在 环境中对以上所述的算法进行了实现。图是工 程的核心部分。 在第个模块 中实现了由相信号生成四倍频信号,并对四倍频信号进行 国武技论文在线 计数。该模块的输入部分有 相信号, 相信号, 的时钟信号, 的时钟信号 上位机复位信号, 本地复位信 号。输出信号有 四倍频信号整数个脉冲 方向信号和四倍频 信号 在第二个模块 中,依据伺服时钟信号 和上一个模块的输出信号 ,生成了 和 两个变量。第三个模块 完成对两个变量 和 的除法运算,以到的小数部分。 codec cEll I phase a T Iar nit nck 3ot roedl nard reSEt dulson|‖s quir in tau onts 18 D1 num.D servo_in PT_ cnts[18.m ax4 sub ant=5.0] send comp ck 图高精度四倍频脉冲实现模块 将 输出的整数部分计数 ,方向信号 和 模块输出的小数部分 进行整合得到了最终的的位置反馈数据。在伺 服时钟的上升沿时刻,位置反馈数据由控制器通过与之间的通讯接口读走 位置反馈数据的最低个是倍频脉冲计数值的小数部分,所以进行硬件细分处理之后, 位置分辨率变为细分处理之前的 此算法在由 运动控制卡,轴扩展卡,伺服驱动器和电机组成的 运动控制平台上进行了实验。实验表明通过对位置反馈数据的高精度细分增加了电枳运动的 冈性 结论 本文介绍了应用 对增量式编码器输出信号进行硬件细分的具体步骤。此方法 具有细分精度高,实时性好,不占用上位机运算资源的优点。同时本文还进行了硬件实现, 实验表明通过对位置反馈脉冲进行细分处理増加了运动控制系统的刚性。 参考文献 侩林韩进宏光电编码器的原理与应用传感器世界 王诚吴继华范丽珍等 设计基础篇北京:人民邮电出版社, 王俊山程明白小营基于的增量型光电编码器抗抖动二倍频电路设讣现代电子技术 侯鸿斌陈安高姸基于有限状态机的高精度周期可变编码器计数器设讣福建电脑

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