1 引言
光栅用作机床的检测元件,已有40年左右的历史了。而圆光栅的出现及其被不断地更新、改进、完善,现已被广泛地应用于现代驱动系统中。它不但可以取代测速发电机,且有旋转变压器等角位移测量机构的功能。为此,本文概述我们掌握的信息及我们实践中的几则实例与体会。
2 光电盘及圆光栅的结构
在半闭环的数控传动系统中,目前大量采用光电脉冲发生器作为检测和反馈元件。它们可以自制或在市场上去购买。目前国内生产的光电脉冲发生器的型号较多,概括综述如下。
2·1 增量式光电盘
透射式光电盘是在一个圆盘的周边分成相等的透光与不透光部分;这可在透明材料上涂黑或在金属圆盘上铣槽(或打孔)来实现。当圆盘转动时,光电耦合器接受的光时断时续,因而产生近似正弦波的信号,经过放大、整形后可得矩形波A.为了判别旋转方向,可装二套光电耦合器,它们之间的距离应是透明区长的一半,经信号处理,可得如图1所示的信号A、B.这种光电盘测量精度不高,但经济实用,在精度要求不高的场合,可自制成型。
2·2 透射式莫尔条纹式光栅及商品型式
2·2·1 概况
圆光栅的条纹呈辐射状。对于2.5英寸直径的圆盘而言,光栅的刻线数N值一般在100~5000。国产Mc2-1型外形尺寸Φ160mm,N值为100~5400;Mc2-2型外形尺寸Φ68mm,N值为100~1200.常用:每毫米线纹数为4、10、25、40、50.为了满足不同的使用要求,圆周内的线纹数有3种型式。
(1)60进制 如10800,21600,32400,64800;
(2)10进制 如100,250,500,800,1000等;
(3)2进制 如512,1024,2048等。
采用莫尔条纹光栅的目的是:
(1)信号放大 设光栅刻线的栅距为β,莫尔条纹的宽度为W,则有W=β/sinθ.θ为光栅纹条之间的夹角。当θ<0.08rad时,θ≈sinθ,因而有W≈β/θ;W 1,可达1000.
(2)节距间的固有的相邻误差被平均化了。
2·2·2 具有A、B、C 3路输出的光电脉冲发生器
目前市场上能买到的绝大部分是这类产品。其中有的确为圆光栅,有的实为N=250的光电盘———其栅距角β=1°26′24″(0.025rad)。输出信号C为“每转一次”的标志脉冲,信号A、B如图1所示,用以辨向与测量。
2·2·3 具有双A、双B、C 5路输出的光电脉冲发生器
这是当前性能较完善的光电脉冲发生器的极品。其中信号C、B、A与上述三输出的光电脉冲信号功能相同。信号A分为A1、A2,信号B分为B1、B2。A1与A2,B1与B2彼此分别装在光栅圆盘的180°机械位移的圆周对边上,用以消除圆安装的同心误差;电信号A1=-A2、B1=-B2,可用简单的硬件数字滤波器电路,消除信号传输过程中的干扰。
3 来自光电脉冲发生器上的信息的复现
光电盘两侧的光电耦合器及其相应的放大、整形、输出电路,已由制造厂制作完成并置于光电脉冲发生器内。本文以具有TTL电平的双A与双B输出的光电脉冲信号发生器为例讨论、说明某些外围信息复现的硬件电路。
3·1 数字滤波器硬件电路
数字滤波器的硬件电路如图2a所示,其工作波形如图2b所示。由此推证:在A1、A2(或B1、B2)传输线上出现的时间上不重合的干扰(如N1与N2或N3与N4)可有效地滤除,而时间上重合的干扰(如N5与N6)如不采取其它措施反而被放大了。改进方法亦不难,只要加入某种错开电路即可(因故,图2a中没有表示出来)。
3·2 鉴向倍频硬件数字电路
用于光栅等器件输出信号的鉴向倍频的数字电路实施方案不胜枚举。我们选用的线路如图3所示,其特点是线路简单,使用起来灵活方便,其工作原理概述如下:该线路由移位寄存器74LS95与2片74LS42译码器为主体而组成。从光电脉冲发生器来的两束方波脉冲信号A、B直接接到移位寄存器的Ai、Di输入端,在时钟脉冲CP的作用下,在QA输出端产生一个稍迟后于A的方波WA1,它的上升沿和下降沿都与CP的下降沿重合。由QA端再将信号返输到芯片的Bi输入端,在CP的作用下,在QB输出端又得到一个比WA1滞后一个CP脉冲的方波信号WA2。同理,在输出端QC、QD也有类似的方波WB1、WB2产生。它们分别接到上译码器及下译码器的相应输入端,使得正向运行时,只有上1(X1)、上6(X2)、或下2或下5(X4)可能有负脉冲输出;而反向运行时只可能有上5(X1)、上2(X2)、或下1和下6(X4)有负脉冲输出。用X1、X2的取值决定倍频系统。
辨向脉冲列PF、PR可分别输出,也可经或门作为无辨向脉冲列P输出。此时D触发器74LS74可给出辨向信号。信号C是从电脉冲发生器引来的每转标记信号。
图3 多功能鉴向倍频线路
4 光电脉冲发生器实用测速原理
一般常用的脉冲数字式测速法,基于下列3种原则,并分别通称M法、T法和M—T法:
(1)M法 M法是在给定的时间内,用计数器计取光电脉冲发生器送来的有效脉冲个数。这种方法为低速测量,精度不高。
(2)T法 T法是用时标脉冲去测量两个有效脉冲之间的(周期)时间,再取倒数。这种方法在高速测量时,分辨率很低、精度不高。
(3)M—T法 这种方法是将M法与T法结合在一起的方法,其工作原理为:在相同的时间内,同时记取光电脉冲发生器送来的有效脉冲个数nDP和时钟脉冲个数mCP,则此时光电脉冲器轴的转速n为:
式中K———倍频系数
N———光电脉冲发生器每转线数
TCP———时标脉冲周期
显然,在条件允许的情况下,理应采用M—T法。实际上,相关的数据在CNC(计算机数字控制)系统都是齐备的:TCP·mCP为一准确的插补周期,nDP为该插补周期内的当量数,瞬时速度由计算机计算得出。
5 光电脉冲发生器测速的微机实现
8096/8098系列单片机都根据光电脉冲发生器的测速原理而预置了内部电路和外部接口,以及相应的指令〔3,4〕,本文不多重述,仅扼要索引如下。由鉴向倍频器来的P脉冲从HSI·1输入作为定时器T2的时钟脉冲T2CLK;由光电脉冲发生器来的C信号作为HSI·0的输入并用作定时器T2的复位源。
T2RST在程序中可用P1口显示定时器T2的内容,即nDP/每转。从定时器T1的TIMER1中读出的差值ΔT1即为mCP;若转速较慢,还应记录T1溢出的次数。实用参考程序很多,本文不便赘附。
6 结束语
笔者涉足光电脉冲发生器的实际应用与探讨已多年。综合效果体会如下:
(1)光电脉冲发生器在相当宽广的领域内取代模拟量输出的测速发电机将是必然趋势。
(2)在实用中,光栅(每转)线数N并不需过大。例如国外RS□-200BET05/10V直流伺服电机轴上的光电脉冲器N=500/1000;在典型机床驱动系统中,丝杠螺距的典型值为:LP=5mm/转;若轴上的光电脉冲发生器N=250、4倍频,则脉冲当量有δ=5×10-3mm,这样的定位精度一般来说已足够了。若改用N=1000的则精度可提高4倍。
(3)有条件的应选用具有TTL电平双A、双B、C5路输出信号的产品。
(4)与8096/8098系列单片机联合使用,方案繁多,可酌情创新使用。
(5)在简易应用场合,使用自制的光盘亦可得到满意的效果。
参考文献
1 Dana F.Geiger.Phaselock Loops for DC Motor Speed Cotrol John Wiley& Sons, Imc,1981.
2 上海市电气自动化研究所.机床的数字控制与计算机应用.北京:机械工业出版社,1984.
3 刘复华.8098单片机及其应用系统设计.北京:清华大学出版社,1992.10.
4 朱晓强,姚志石.8096/8098单片机原理及应用.上海:复旦大学出版社,1993.
本文作者：郭永贞 殷埝生 王 刚
