基于光电码盘传感器的位置检测控制电路设计

Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｄｅａ ａｎｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏａｒｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＣ ＢＵＳ ｆｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ａｉｍ ａｔ ｔｈｅ ｅｎｃｏｄｅｒ ｏｕｔｐｕｔ＇ｓ ｓｉｇｎａｌ Ａ， Ｂ ａｎｄ Ｚ ｐｕｌｓｅ， ｄｅｓｉｇｎ ａ ｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ
２００７ 年 第 ２９ 卷 第 １ 期 第 ５２ 页
电气传动自动化 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
Ｖｏｌ．２９， Ｎｏ．１ ２００７， ２９（ １） ： ５２～５６
文章编号： １００５—７２７７（ ２００７） ０１—００５２—０５
基于光电码盘传感器的位置检测控制电路设计
赵建周， 李安伏 （ 安阳工学院， 河南 安阳 ４５５０００）
而 ＣＰＵ 读取的是锁存器的数据， 这样就解决
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了两者间的同步问题。为了避免发生锁存器在锁 存期间 ＣＰＵ 读数， 将 ＣＰＵ 的读信号引至与门 Ａ， 用于封锁数据锁存。由此可见， 这样的接口电路， 可能引起的Ａ ／ Ｄ 转换误差为一个码， 一般是符合 Ａ ／ Ｄ 转换器的设计精度的。
２ 位置检测单元电路设计
位置检测单元主要用于检测被控对象的位 置， 其原理是累计与电机同轴的增量码盘发出的 脉冲数。
电路板的主要结构框图如图 １ 所示。在这块板 的设计过程中， 因别的用户要求和基于通用性的考 虑， 又增加了方波脉冲信号产生、计数功能电路。这 样， 这块板既可在有速度环的基础上用来作为位置 反馈接口转换电路和其它环节配合构成位置闭环 控制系统， 又可通过控制脉冲产生的频率和产生的 脉冲个数作为基准脉冲系统的位置给定［ １ ］ 。
同理， 可判断出， 当反转时， 由于 Ｂ 超前 Ａ ９０°， 对应每一个 Ａ 脉冲， ＣＰ＋始终为高电平， ＣＰ－ 有 负脉冲输出。
码盘输出的脉冲经方向判别电路被分解为 ＣＰ＋、ＣＰ－ 两路脉冲。正转时 ＣＰ＋有脉冲， ＣＰ－ 为高 电平； 反转时 ＣＰ－ 有脉冲而 ＣＰ＋为高电平。两路脉
冲送到具有双时钟的可逆计数器计数， 所计的数 值即为编码结果。 ２．４ 可逆计数器电路
２．６ 输入输出电路（ 应答联络信号） 输入输出指开关量Ｉ ／ Ｏ， 主要实现 ＣＰＵ 与速
度 环 的 联 相 的 设 定 、读 取 （ 如 清 零 是 否 、结 束 等 ） 。 本系统提供一路继电器输出， 用于发出和速度单 元联络的握手信号； 一路集电极开路 输出（ 备用）； 三路光隔输入， 分别用 于接收速度单元的准备好回馈信号、 限位开关状态输入和零位开关状态 输入。由于电路简单， 这里不再细述。 ２．７ 关于 １６ 位输入输出信号 ＩＯ１６ＣＳ
码盘计数器选用 ７４ＬＳ１９３ ［８ ］。７４ＬＳ１９３ 为 ４ 位 可预置的二进制同步加 ／ 减计数器（ 双时钟） ， 当清 除端 ＭＲ 为高电平时， 不管时钟端 ＣＵ、ＣＤ 状态如 何 ， 输 出 端 （ Ｑ３－ Ｑ０） 即 可 置 成 与 数 据 输 入 端 （ Ｄ３－ Ｄ０） 相一致的状态。７４ＬＳ１９３ 的计数是同步的。靠 ＣＵ、ＣＤ 同 时加在四个 触发器上而 实现的。 在 ＣＵ 或 ＣＤ 上升沿作 用下， 同时变 化， 从而消除 了异步 计数器出现的计数尖峰。当进行加或减计数时可 分别利用 ＣＵ 或 ＣＤ， 此时另一时钟应为高电平。
具体判向过程分析如下： 对应 Ｃ 点的与非门 Ｕ２０： Ａ 的两个 输入端， 一 个（ ２ 脚） 直接取自 Ａ 脉冲， 另一个（ １ 脚） 是 Ａ 脉冲 反相后经 ＲＣ 积分电路得到的。这样当 Ａ 脉冲从低 电平跳变到高电平后， 即 Ａ 脉冲的前沿瞬间， 该与
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（ １） 利 用 ７４ＬＳ１９３ 的 异 步 置 数 端 使 系 统 实 现 归零操作［ １］
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当系统发出运行命令， 被控对象在控制器控 制下运行至某一预定位置时， 可以通过及时控制 ７４ＬＳ１９３ 的异步置数控制端 ＰＬ 为低电平， 通过数 据总线把欲定义的数据写入 ７４ＬＳ１９３， 实现归零操 作。这样， 归零的含义即被拓宽， 既可使计数器清 零， 实现传统意义上的归零， 又可向计数器写入某 一代表一个固定位置的数据， 以给增量码盘一个 起始位置。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ； ｃｉｒｃｕｉｔ； ｄｅｓｉｇｎ
１ 引言
电动机作动力的系统中的位置检测与控制方 法很多， 本文介绍一种由光电码盘做传感器的位 置检测和控制的电路设计。其主要设计内容包括 位置检测单元电路设计和输出控制电路设计两部 分。由于系统中数字和模拟信号共存， 所以在原理 设计和 ＰＣＢ 版设计时， 必须注意抗干扰问题， 具体 可参阅有关文献［ ９］［ １０］ ， 这里不再赘述。
摘要： 介绍一种由光电码盘做传感器的位置检测、控制电路的设计。针对光电码盘输出的三路信号 Ａ、Ｂ 和 Ｚ
脉冲 ， 设 计了 脉 冲 整形 、判 向 专门 电 路 和清 零 电 路， 并 用 双 向可 逆 计 数器 准 确 记录 了 与 码盘 关 联 的电 机 轴 的
位置。输出控制的对象为速度单元或变频调速系统。
Ａ 脉冲与 Ｂ 脉 冲相位相差 ９０°， 正 转 时 ， Ａ 超 前 Ｂ， 故 Ｃ 点负脉冲对应 Ｂ 的低电平“０”； Ｄ 点负脉冲对应 Ｂ 的高电平“１”， 这 样上边或门 Ｕ１０： Ｄ 输出（ 即 ＣＰ＋） 对应每一个 Ａ 脉 冲有一个负脉冲， 而下边或门 Ｕ１０： Ｃ 输出（ ＣＰ－ ） 始 终为高电平。
对应 Ｄ 点的与非门 Ｕ２０： Ｂ 的两个 输入端， 一 个（５ 脚） 取自 Ａ 脉冲反相， 即 Ａ 非， 另一个（４ 脚） 是 Ａ 脉冲经 ＲＣ 积分电路得到。对应 Ａ 脉冲的上 升沿， Ａ 非为下降沿， 与非门由于一端输入为低电 平而输出高电平； Ａ 脉冲上升沿后的高 电 平 通 过 Ｒ２ 给 电 容 Ｃ２ 充 电 ， ０．３ μｓ 后充至高电平。当 Ａ 脉冲出现下降沿 后，Ａ 非马上变为 高 电 平 ， 而 电 容 Ｃ２ 要等 ０．３ μｓ 后才能 由高放电至低电 平， 所以该与非门 也能输出一个负脉 冲。
非门直接与 Ａ 脉冲相连的 ２ 脚立即变为高电平“１”， 而 １ 脚由于电容 Ｃ１ 的两端电压不能突变， 要有一个 放电的过程。当 Ｒ＝１０００ Ω， Ｃ＝１００ ｐＦ， 充放电时间常 数 ｔ＝Ｒ·Ｃ＝１０００＊ １００＊ １０－１２ｓ＝１０－７ｓ＝０．１ μｓ。充放电过 程约 ３ 倍的时间常数， 即 ０．３ μｓ。也即这一端要等 ０．３ μｓ 后才能变为低电平“０”。所以对应 ０．３ μｓ 的 电容放电过程， 在 Ｃ 点能得到一个 ０．３ μｓ 的负脉 冲。当 Ａ 脉冲出现下降沿后， 由与非门逻辑易知， Ｃ 点将维持高电平。而这时另一端由 Ａ 脉冲经反相 而 得 的 高 电 平 经 Ｒ１ 给 电 容 Ｃ１ 充 电 ， ０．３ μｓ 后 该 端将呈高电平态， 为下一个 Ａ 脉冲的前沿到来作 准备。
关键词： 位置检测； 电路； 设计
中图分类号： ＴＭ１３１， ＴＰ２１２．９
文献标识码： Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒ ｏｌ ｃｉｒ ｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｎｃｏｄｅｒ ｓｅｎｓｏｒ
ＺＨＡＯ Ｊ ｉａｎ－ ｚｈｏｕ， ＬＩ Ａｎ－ ｆｕ
（ Ａｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ａｎｙａｎｇ ４５５０００， Ｃｈｉｎａ）
在可逆计数期间 ＣＰＵ 来读取数据， 造成数据的错 误， 与 ＣＰＵ 的接口电路应由数据锁存器和三态缓冲 器及一些门电路组成。如图 ６ 所示。此电路利用了 ＣＰ＋或 ＣＰ－ 脉冲的前 沿锁 存 来 自 可 逆 计 数 器 的 数 据。由于可逆计数器是利用 ＣＰ＋或 ＣＰ－ 的后沿计数 的， 因此， 锁存器锁存的是计数器稳定后的数据。
由图 １ 中可以看出， 整个电路主要由长线接 收 电 路 、脉 冲 整 形 、判 向 电 路 、可 逆 计 数、长线发送电 路， 中断控制逻辑电路和数模转换等组成。
２．１ 归零电路设计 由于增量码盘没有初始零位置， 且相应计数器
在机器上电时上随机状态， 故系统开始工作前必 须进行归零操作， 即给计数器清零， 以确定增量码 盘轴的起始位置。本系统清零提供两种方式： 一种 是利用硬件电路自动清零； 另一种是处理机在适 当时候向 ７４ＬＳ１９３ 计数器施行写数操作。具体电 路如图 ２ 所示。
（ ２） 使用硬件电路实现自动归零 计数器清零的方法和过程如下： 如 图 ２ 所 示 的 零 位 开 关 Ｓ１ 要 安 装 在 被 控 对 象的物理零位处， 并且要求零位开关受压闭合的 时间必须大于增量码盘转一周对应的时间。这样 当被控对象运动至零位附近压迫零位开关闭合 后 ， 光 耦 导 通 ， Ｕ３： Ａ 非 门 输 入 端 呈 低 电 平 “０”， 经 过反相器反相， 与门 Ｕ２１： Ｃ 的 ９ 端为高电平“１”。 由于与门的另一端 １０ 接增量码盘的 Ｚ 脉冲， 当 Ｚ 脉冲来时与门打开输出高电平“１”。如果这时清零 允许控制触发器 Ｕ２： Ａ 的输出为“１”， 即为允许态， 与门 Ｕ２１： Ｄ 也呈打开状态， 输出高电平“１”。这个 输出高电平一方面接 ７４ＬＳ１９３ 的异步清零端 ＭＲ， 使其瞬间清零， 实现归零目的； 另一方面经反相器 反相接到清零允许控制触发器 Ｕ２： Ａ 的清零端， 使 其输出为“０”， 封锁清零控制与门。以后即使被控 对象再压迫零位开关， Ｚ 脉冲同时又来， 再也不会 对计数器进行清零操作。ＣＰＵ 通过地址口 Ｙ６ 可查 询清零是否完成。由于清零控制触发器的输出经 ７４ＬＳ１２６ 驱动缓冲接至数据总线的 ＤＯ 上， 所以通 过简单指令即可完成查询工作。 ２．２ 长线收发电路 由于处理机与工作电机所处现场（ 码盘所在位