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德國KUBLER庫伯勒編碼器的接口電路及原理分析
閱讀：999 發(fā)布時間：2021-8-24 德國KUBLER庫伯勒編碼器是一種位置和速度轉換器，它將一個軸(或軸)的角或直線運動轉換成一系列電子數字脈沖。這些電脈沖被用來控制(產生它們的)機械軸的運動。
KUBLER庫伯勒編碼器由以下部分組成：
1、機械接口
機械接口包含所有允許編碼器耦合到機器或應用設備的組件，包括：軸，連接在旋轉的機器軸上，按照固定方式設計：實心或孔軸；法蘭，將編碼器固定并調整到其支架上的法蘭；外殼，包含并保護磁盤和電子元件；
2、碼輪（或磁性致動器或線性刻度）
德國KUBLER庫伯勒編碼器碼輪（或盤）定義了脈沖的傳輸碼；它由一個由塑料、玻璃或金屬材料制成的支撐物組成，支撐物上刻有透明或不透明部分交替形成的圖案。在線性尺度上，用靜止不透明條代替這一圖案。采用磁感測時，用磁路（南北）模式代替碼輪或線性標度。
3、光電接收器（或磁傳感器）
光電接收器時由一組傳感器（光電二極管或光電晶體管）制成的，這些傳感器由紅外光源照亮。在接收器和LED之間由一個刻度碼輪。光將磁盤像投射到接收器表面，接收器表面被一種稱為刻線的光柵覆蓋，具有相同的磁盤臺階接收器將發(fā)生的由圓盤移動引起的光變化轉換成相應的電變化。
磁編碼器系統(tǒng)是由帶磁鐵的旋轉驅動器和磁傳感器將磁場變化轉化為電信號制成的。
4、電氣接口
電子接口時編碼器向接收器傳輸數據的方式。電信號（可以時數字的或模擬的）通過編碼器電纜傳輸到一個智能設備，如接口板，PLC等
電接口取決于編碼器類型，增量式或絕對式。
增量式編碼器的接口有：
-NPN型
-NPN型集電極開路
-推挽
-線性驅動器
編碼器檢測信號的主要技術有：
-光電或光學掃描（旋轉或線性）
-磁場變化（旋轉或線性）
-電位計（旋轉或線性）
-磁性伸縮效應（線性）
-能量收集效應（旋轉）
旋轉和線性傳感器的主要應用時：機床，材料加工機械，機器人，電機反饋系統(tǒng)，測量和運動控制設備。
德國KUBLER庫伯勒編碼器工作原理
增量式編碼器由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和光電轉換電路組成
當碼盤隨同被測轉軸轉動時，檢測光柵保持不動。光線穿過碼盤和檢測光柵的縫隙照射在光電檢測器件上，光電檢測器件即會輸出相位相差900電度角的近似于正弦波的兩組差分電信號，這兩組差分信號再經脈沖整形轉換為普通的單端電平信號，最后對兩個單端電平信號進行倍頻、鑒相和計數等操作，以得到碼盤旋轉的方向和位置。
本文旨在解決增量編碼器倍頻、鑒相、計數的問題，充分利用FPGA豐富的邏輯模塊和IO模塊，設計了一種簡單的接口電路，并行輸出結果以供進一步操作，
倍頻、鑒相、計數原理分析
德國KUBLER庫伯勒編碼器盤和檢測光柵有兩組對應的等間距透光縫隙，相互錯開1／4節(jié)距，用于在旋轉過程中對光電發(fā)送及接收裝置產生通斷變化，使得光電檢測器件輸出相位上相差90o的信號A、B。根據A和B的相位關系可判斷出碼盤的旋轉方向。
當A相位超前B90o時，DIR(方向信號)為高電平，電機正轉；當A滯后B90o時，DIR(方向信號)為低電平，電機反轉。碼盤信號經過計數器計數后得出碼盤旋轉的角度才能轉換為位置信息，計數器加減以方向信號為依據。
編碼器每旋轉一周，A相和B相所輸出的脈沖數相同，脈沖數決定了編碼器的精度。在一個編碼脈沖輸出周期中，A和B信號共產生了4個跳變沿。捕捉每個跳變并且進行計數，即：當A為高電平時，B在上升沿則加1，下降沿則減1；A為低電平時，B在下降沿則減l，上升沿則加l；B為高電平時，A在上升沿則減1，下降沿則加l；在B為低電平時，A在上升沿則加1，下降沿則減l。
如此在每個周期內，碼盤正轉時計數4次，反轉時也計數4次，使計數脈沖數量增加了4倍。若一個編碼脈沖信號量化誤差為φ，則四倍頻后的量化誤差降為φ/4，其角位移的測量精度提高了4倍，同時光電碼盤的分辨率也提高了4倍。
信號四倍頻設計的關鍵在于捕捉A、B信號的上升沿和下降沿。本設計采用數字型電路即D觸發(fā)器作為延遲環(huán)節(jié)來檢測邊沿的變化，A、B相倍頻脈沖寬度和延時時間均由時鐘(外部有源晶振提供)控制，倍頻后的脈沖寬度一致，可以有效地克服傳統(tǒng)RC微分型或積分型邊沿檢測電路的不足。
A、B信號經D觸發(fā)器后的信號分別記為A1、B1。將A1、B1作為倍頻的原始信號，將消除A、B信號中尖脈沖帶來的影響，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。A1、B1再經過一個D觸發(fā)器，延時一個時鐘周期，將產生A2、B2信號。
即A2、B2分別滯后A1、B1一個時鐘周期，且A1、A2的相位分別滯后B1、B290o(假定此時電機反轉，B1超前A190o)，為了實現預期目的，需要能夠*捕捉到一個周期內脈沖的上升沿和下降沿，即圖4的圓黑點。
虛線所示的狀態(tài)可知，A1和A2，B1和B2兩組信號里都有一組不同的電平狀態(tài)，故采用3個異或門以求得信號的4倍頻信號F4_CLK。與此同時，采用兩個與非門來求得方向信號。