光电编码器脉冲检测电路设计

2009年 第10期
仪表技术与传感器
Instrum ent Techn i que and Sensor 2009 No 110
收稿日期:2008-10-28 收修改稿日期:2009-06-28
光电编码器脉冲检测电路设计
马有良,任 同
(西南科技大学制造科学与工程学院,四川绵阳 621010)
摘要:螺纹加工是数控车床重要的加工功能,要保证螺纹的加工精度,必须准确的获取主轴角位置信号。

为此设计了螺纹脉冲检测电路,其中整形电路采用S N75115双重微分接受器去除共模干扰,鉴相及同步控制用74LS74D 触发器组成,也解决了低速大螺距加工问题。

该电路经实际应用验证是可靠的。

关键词:光电编码器;螺纹;脉冲计数;电路设计
中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2009)10-0076-02
Desi gn ofM easure C ircu it for O u tput Pu lse i n O pto 2electr ic En coder
MA You 2li ang ,REN Tong
(C o llege ofM anufac tur ing S cien ce and Engineer ing ,Sou thwest Un iver sity of Science and T echnology ,M ianyang 621010,C h i na )
Abstr a ct :The f unc tio n of the screw t h read process i n NC lat he is i m portant .To make sure the prec isi on of the screw t hread process ,obtain t he si gnal of angle place on pr i ncipa l axis exactl y i s necessa ry .So this paper desi gned the e lectrocircu it of the m eas 2ure si gna,l pulse shap i ng circu itwas ab l e to filter out i nterference w it h SN75115dua l d ifferen tiator ,phase de m o dulator and synchro 2n i zer circu it is co m posed of D F li pF lop .Si m ultaneity the pro b l em of the l o w speed m ach i ni ng for coarse p itch was solved .The prac 2ti ca l appli catio n of the circu it is re liab le .
K ey word s :opto 2e l ec tric encode r ;screw thread ;pulse coun ting ;desig n of c ircuits 0 引言
在位置控制系统中,为了提高控制精度,准确测量控制对象的位置是十分重要的。

测量控制对象的直线位移变化可采用光电编码器作为位移检测传感器。

数控车床螺纹加工是依据检测到的主轴旋转信号,控制步进电动机的进给,实现车螺纹所要求的比例关系,切削出符合要求的螺纹。

在光电编码器检测电路设计时,应解决3个问题:计数和判向电路设计;同步控制电路;抗干扰电路。

为解决这3个问题,提出检测电路设计思想,并结合实际出现的问题,提出具体改进方法。

1 数控车床螺纹加工原理
在数控车床中,一般采用光电编码器为主轴脉冲发生器,与主轴同步旋转,采集的主轴位置信号经微机数控系统处理后驱动机床工作台运动。

主轴脉冲发生器送出2组信号脉冲,一组为计数脉冲,每转送出2048个脉冲,另一组为同步脉冲,每转送出一个脉冲。

车削螺纹时,数控系统检测到SC 同步信号到来时开始切削,否则处于等待状态。

这样就保证每次切削的初始位置在被加工工件圆周的某一定点位置上,防止了多次切削乱扣现象发生
[1]。

在螺纹加工状态下,微机系统在接到同步脉冲信号后,开始读取计数脉冲,均匀地在这串脉冲中取出F 个脉冲值,使之满足数控程序中规定的F 值,以它作为中断信号来控制插补速度,使伺服驱动在Z 方向进给F 值,达到主轴每转一周,刀架在Z 方向上移动一个螺距的目的[2]。

在数控系统中,完成螺纹加工的要素为:主轴转速n 和螺
纹导程t ,进给速度F =nt .在加工螺纹时,有资料推荐的主轴转速n [(1200/t -K )r /m i n .K 是保险系数,一般取80。

同步脉冲极为重要,它是保证在螺纹加工中不产生乱扣的唯一控制信号。

2 脉冲信号检测2.1 进给脉冲信号检测
当控制对象位置发生变化时,光电编码器便会输出S A 、SB 2路相位相差90b 的数字脉冲信号。

当编码器正转时SA 超前SB 为90b ,反转时SB 超前S A 为90b ,脉冲的个数与位移变化量成比例关系。

因此,通过对脉冲个数计数就能计算出相应的位移[3]。

图1是系统脉冲检测计数电路设计原理框图。

图1 基本脉冲计数原理框图
S A 、SB 2路脉冲通过整形、鉴相得到计数脉冲,再根据SC 、SD 同步控制,送往CTC 。

2.2 同步脉冲信号检测
在螺纹加工中,正确的检测出同步脉冲信号SC 极为重要,螺纹加工一般须经过多次反复切削才能完成,为了保证加工精度,数控系统必须控制螺纹刀每次切削的起始位置和切削相位,保证每次切削都在螺纹的同一切削点进行。

起始位置一般由脉冲计数电路及相应软件来保证其复位精度,切削相位则由
同步脉冲信号SC 决定。

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马有良等:光电编码器脉冲检测电路设计
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系统计数一般用中断方式,设计当计算机系统发出螺纹启动信号SD 高电平后,如果门控电路检测到SC ,利用SC 的上跳沿,打开控制门,CTC 开始接受脉冲信号,CTC 开始计数。

在螺纹加工每刀完成并返回时系统发出螺纹启动信号低电平,关断控制门,CTC 停止接受脉冲信号。

螺纹启动后保证在起始位置检测到SC 信号后,发出中断请求并计数,机床开始加工螺纹。

3 基本脉冲计数电路设计
根据原理框图,设计如图2
所示的基本脉冲计数电路。

图2 基本脉冲计数电路
图3为基本的整形脉冲输出,S A 和SB 信号整形后得到的
是倍频脉冲。

图3 整形脉冲由于数控车床工作在电磁环境恶劣的生产现场,加工时还会产生机械振动,这些电磁干扰和机械振动使一般光电编码器计数判向电路的A 、B 2相输出信号可能会叠加若干个高频方波干扰脉冲,这些干扰脉冲进入计数器,将引起计数错误,使伺服驱动系统不能正常运行,影响了螺纹加工的精度
[4]。

为此,在计数和判向电路设计时,利用电路对信号的延迟和门电路的逻辑运算能力来消除干扰脉冲[5]。

图2中SB 采用积分式单稳电路,高电平时上升沿控制,SB 由低变高时缓冲打开1CP ,脉冲波形如图4所示。

改变电路中R C 参数,可改变1CP 脉冲宽度。

如果S A 、SB 使用74LS86异或门整形,既可以实现倍频,
又可以取消鉴相电路。

然后用1Q 控制4#00门打开,使倍频脉冲还原为原频率脉冲,消除干扰,输出如图5所示。

SC 相产生的脉冲作为基准脉冲,又称零点脉冲。

编码器旋转1圈,在固定位置SC 相产生1个脉冲。

如图6所示,同步脉冲
SC 处于下降沿时,当有螺纹启动SD 信号,2Q 高电平打开2#
图5 鉴相脉冲输出
74LS08门,计数脉冲送往CTC 计数。

图6 螺纹启动控制
4 常见问题及电路改进设计4.1 低速大螺距加工问题
正常情况下,螺纹加工一次返回过程中螺纹启动SD 信号
为低电平,一个同步脉冲可以使2Q 低电平,实现关闭2#08门。

但实际螺纹加工,经常遇到低速大螺距加工情况,根据(主轴转速N +80)@螺距t =1200,假如加工螺距12mm 以上,主轴转速大约10~20r /m i n ,螺纹返回时刀架运行速度4000mm /m i n 以上,对于一个300mm 长度以内的螺纹,由于主轴转速太慢,加工一次螺纹返回后主轴还没有转过一圈,而此时重复加工则再次发出螺纹启动信号SC ,出现起刀点不对,加工螺纹乱扣现
象。

现改让螺纹启动信号变低时,使74LS74触发器复位。

如图7所示,既当检测到SC 同步脉冲下降沿时,发出2Q 脉冲,而螺纹加工返回时,使2Q 脉冲变低电平,实现关闭2#08门。

改动后脉冲计数电路如图8所示。

4.2 抗干扰处理电路改进设计
采用SN75115双重微分接收器,该电路首先有计划的从现场很宽的公共噪音中识别到小的微分信号,将(下转第80页)
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213 提高F IR 低通滤波器的速度
用M ega128运行所设计的F I R 低通滤波器程序,若采用一般算法,需4735个时钟周期。

由于所设计的F IR 低通滤波器的系数具有对称性,若将各对称系数所对应的序列相加后再做卷积,可节省约一半的运算量,仅需2560个时钟周期。

如果选择12MH z 的晶振,一般算法所需时间约为395L s ,这种对折算法所需时间约为197L s .2.4 滤波效果
在M atl ab 中用设计的滤波器对仿真数据进行滤波,效果如图6所示。

图6(a)为根据滤波前的仿真数据描绘出来的曲线,图6(b)为根据滤波后的仿真数据描绘出来的曲线。

可以看出,干扰的影响被有效地滤除了。

3 结束语
所设计的甲烷气体探测器,采用基于红外检测原理的传感器,克服了催化燃烧式传感器的诸多缺点,具有性能稳定、测量准确、测量范围宽等特点。

针对50H z 的工频干扰,设计了高抑制比的F I R 低通滤波器。

通过对采样数据进行限幅滤波、中值滤波和F I R 低通滤波,可有效地提高抗随机干扰和周期性干扰的能力。

故该探测器可克服传统探测器的精度低、抗干扰能力差与易产生漏报和误报等缺点。

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作者简介:荆宜青(1984)),硕士研究生,主要从事单片机应用研究与
软件开发。

E 2m ai:l ji ngyiqi ngzzu @126.co m
(上接第77页)一路脉冲信号分成互为相反的2路信号,从A 、B 输入后分别与215V 的电压做差动比较,去除共模干扰,输出TTL 兼容信号。

输入信号为高电平时,输出信号为低电平。

再经过鉴相和同步控制,输出信号到CTC 计数。

利用电路对信号的延迟和门电路的逻辑运算能力来消除干扰脉冲的方法,电路中存在一个RC 时间常数的调节问题,如果参数选配不当,可能影响判向。

改进后设计的实用电路如图9所示,可以有效解决
上述问题。

图9 光电编码器螺纹检测实用电路
5 结束语
(1)螺纹加工是数控车床必须具备的加工功能,光电编码
器是数控车床最常用的检测装置之一,要保证螺纹的加工精度,就必须准确获取主轴角位置信号。

(2)在数控车床螺纹加工实践中,遇到了低速车削较大螺距螺纹问题,用此实用电路,螺距取任何数值都不会产生乱扣现象。

(3)脉冲记数电路经改进后,采用S N75115双重微分接受器,可以有效地扼制因机床振动或外部电磁干扰引起的计数误差,且电路简单可靠。

(4)在G WK 数控系统中,采用此光电编码器螺纹检测实用电路,实践证明,该电路工作可靠。

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作者简介:马有良(1964)),副教授,主要从事机电一体化和仪器仪表
控制方面的教学、科研、实验等工作。

E 2m ai:l m ayou liang @s wust 。