基于正交编码器高精度测速方法的研究
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率 。还 提供 了一种 适 用 于工 业 现 场环 境 条件 的 ，基 于正 交编码 器 测速 算 法 的虚 拟 仪 器 软硬 件 设 计 方 案及 其实 验 效 果 。
关 键 词 ： 测 速 精 度 ；正 交编 码 器 ；Ｍ 法 测 速 ；虚 拟 仪 器 中图分类号：Ｔ ２ ３ Ｐ ７ 文献标志码：Ａ
长。
电机转动一圈带动编码器产生 Ｐ 个脉冲 ，时间 以秒 为单 位 ，而转速是 以每分钟的转数 ｒ ｉ ／ ｎ为单位 ，则电动机转速 ａ ｒ
为
１ 变 Ｍ 测速法 的提 出 ． ２ 在 Ｍ 法测速基础上，对 于正交光 电编码器，产 生正交 的 Ａ、Ｂ 两 相脉 冲 同 时输 入 ，相 位 相 差 ９ 。 ０ ，并 且在 脉 冲 上 升沿和下降沿均计数 ， 这样检测到光 电编码器输出脉冲个数
：
×１ ０ ０％ Ｍ
—
—
１
将 编 码 器 产 生 的 脉 冲 序 列 输 入 数 据 采 集 卡 ， 通 过
Ｌ ｂ Ｅ 搭建基 于虚拟仪器 的测速平台，可 实现对被测对 ａⅥ ｗ 象转角和转速 的实时监 测， 过信 号调理 电路，对编码器输 通 出的脉冲序列进行滤波 、隔离 、放大处理，使其适应环境恶
０ 引言
＝
６Ｍ ０
— —
Ｐ
正交光 电编码器是一种 数字式角度检测装置， 它将输入 给转轴的角度量 ， 利用光 电转换原理转 换成相应 的电脉冲或 数字量输 出， 用于机械旋转速度和转角位置的测量。光电编 码器 分为绝对式和增量 式两种 ， 量式编码器在码盘上均匀 增 地刻制一 定数量的光栅 ，当电动机旋转时 ，码 盘随之转动 ， 通过光栅 开放与封闭光通路 ， 在接收装 置输 出端便得到频率 与转速成正 比的方波脉 冲序列 ， 在正交光 电编码器中，增加 对发光和接收装置 ，使两对装置光栅节距错开 １ ，从而 ／ ４
作者简 介 ：焦 东升 ，男 ，西 安人 ，上海 交通大 学 电气 系 ，硕士研 究 生，上 海 ２０４ ０ ２０ 张秀彬 ，男 ，福 建人 ，上海 交通大 学 电气 系 ，博导 ，高 级信 号处理 与智 能控 制方 向，上海 应 俊豪 ，男，上 海人 ，上 海交通 大学 电气系 ，博士研 究生 ，计算 机视 觉 ，上海 ２ ０４ ０ ２０
时定时采 样而提 出变 Ｍ 法 ，并且采样脉冲序 列的上升沿和 下 降沿 ， 使 在 不 改 变 编 码 器 制 造 工 艺 增 加 单 周线 数 的 条 件 下，提高 了转速和转角的测量精度 ，并且增大 了转速和转角
测 量 的分 辨 率 【。 ｌ ｊ
‰ ＝
Ｐ
ｘ１ ０ ０ ％
（） ２
基于正交编码 器高精度测速方法 的研 究
焦 东升 ，张 秀彬 ，应 俊 豪
摘 要 ：根据正 交光 电编码 器测速原理 ，在分析 了Ｍ 法测速的测量误差和分辨率 的基础 上，提 出 了一种改进的转速高精度测 量 方法— — 变 Ｍ 法 ， 即 同 时测 量 正 交 的 两 组脉 冲序 列的 上 升 沿 和 下 降 沿 ，极 大 的减 小 了转 速 和转 角测 量 误 差 ，提 高 了分 辨
在 Ｍ 测速法 中，测速误差决定于编码器 的制造精度 ， 以及编码器输 出脉冲 前沿和测速 时间采样脉冲前沿不齐所 造成的误差等，最多可能产生一个脉 冲的误差 ，因此 ， 测
速 法 误 差 的 最 大 值 为
的 Ｍ 法不能满足高精度和 宽测量范 围的要求，本文在 Ｍ 法 基础上，利用正交编码器 相位相差 ９ ０ Ｏ 的条件将脉冲序列 同
Ｍｉｒｃ ｍｐ ｔｒ ｐｉａｉｎ ｏ． ６ Ｎｏ１ ， ０ ０ ｃｏ ｏ ｕｅ Ａｐ ｌ ｔ ｓＶ １２ ， ．０ ２ １ ｃ ｏ
文 章 编 号 ： １０ —５Ｘ（０ ０１．０ ３０ ０ ７７ ７ ２ １）００ １—３
研 究与 设计
微 型 电脑 应 用
２１ ０ ０年 第 ２ ６卷第 １ ０期
・１ ・ ３
２ ０４ ０２ ０
Ｍｉ ｏ ｏ ｕ ｅ Ａｐ ｌ ａ ｏ ｓ ｏ． ６ Ｎ ． ， ０ ０ ｃ ｃ ｍｐ ｒ ｒ ｒ ｐ ｃ ｔ ｎ １２ ， ｏ ０ ２ １ ｉ ｉ Ｖ １
研 究与 设计
徽 型 电脑 应 用
２１ 年第 ２ ００ ６卷第 ｌ ０期
为 的 ４倍 。因此变 测速法原理如图 ２所示 ，那么 电动机转速为
劣 的工 业 现 场 。
ｐ～６３ ｒ ０／ ／
—
由式 （ ）可知，＆ｎｘ与 Ａ ２ ａ 成反 比，即转速越高 ，误 差率越 小。因此适合工业现场 高速运行 的被测系统【】 ２。
法 测 速 的 分辨 率 为
６（ ０Ｍ
—
ｒ －
１ Ｌ ）
： —
ｆ ）
１ 变 Ｍ 法测 量转速 方法 的提 出和精度 分析
一
脉 冲宽度 测量
图 １ Ｍ 法 测速 原理 图
两组 脉 冲 序 列 Ａ 和 Ｂ 相 差 ９ 。 ０。 采用编码器测速 的常用方法有 Ｍ 法和 Ｔ法…，Ｔ法在
在 上 式 （ ） 中 ，Ｐ 和 均 为常 值 ， 因此 转 速 ｎ正 比于 １ 脉冲个数 ＾ 。
定步长采样 中应用较多 ，转速较低时 ，分辨率较高 ，Ｍ 法 在定 时采样中应用比较 多，转速较高时，分辨率 比较高，但 是对于工业现场 高速旋转被测机械装 置， 适用较高转速测量
１１ ． 法 测 速 原 理
’
Ｐｉ ｃ
Ｐ Ｔ：
Ｐ ｅ
由式 （ ）可知 ，Ｍ 法测速的分辨率与 实际转速的大小 ３
在一定的时间 内测取光 电编码器脉冲个数 Ⅳ， 以计 用
算 这 段 时 间 内 的平 均 转 速 ，称 作 法 测速 ，如 图 ｌ所 示 ，
无 关，要提高分辨率 ，必须增大 Ｐ和 ，但在实际 中，增 大 尸 收到编码器制造工艺限制，增大 势必是采样 相输出脉冲超前 Ａ 相 ，计数器递减 ，编 码器旋转一周 ，程序输 出角度一６ 。 。 ３ ０～０ 循环一次 。对于线 数为 １０ ｐｒｖ的 Ｔ Ｄ． Ｋ１０ 一Ｚ光 电编码器测量角度的 ００ ／ ｅ Ｒ Ｇ ０ ０Ｒ 分 辨 率
关 键 词 ： 测 速 精 度 ；正 交编 码 器 ；Ｍ 法 测 速 ；虚 拟 仪 器 中图分类号：Ｔ ２ ３ Ｐ ７ 文献标志码：Ａ
长。
电机转动一圈带动编码器产生 Ｐ 个脉冲 ，时间 以秒 为单 位 ，而转速是 以每分钟的转数 ｒ ｉ ／ ｎ为单位 ，则电动机转速 ａ ｒ
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１ 变 Ｍ 测速法 的提 出 ． ２ 在 Ｍ 法测速基础上，对 于正交光 电编码器，产 生正交 的 Ａ、Ｂ 两 相脉 冲 同 时输 入 ，相 位 相 差 ９ 。 ０ ，并 且在 脉 冲 上 升沿和下降沿均计数 ， 这样检测到光 电编码器输出脉冲个数
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１
将 编 码 器 产 生 的 脉 冲 序 列 输 入 数 据 采 集 卡 ， 通 过
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６Ｍ ０
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正交光 电编码器是一种 数字式角度检测装置， 它将输入 给转轴的角度量 ， 利用光 电转换原理转 换成相应 的电脉冲或 数字量输 出， 用于机械旋转速度和转角位置的测量。光电编 码器 分为绝对式和增量 式两种 ， 量式编码器在码盘上均匀 增 地刻制一 定数量的光栅 ，当电动机旋转时 ，码 盘随之转动 ， 通过光栅 开放与封闭光通路 ， 在接收装 置输 出端便得到频率 与转速成正 比的方波脉 冲序列 ， 在正交光 电编码器中，增加 对发光和接收装置 ，使两对装置光栅节距错开 １ ，从而 ／ ４
作者简 介 ：焦 东升 ，男 ，西 安人 ，上海 交通大 学 电气 系 ，硕士研 究 生，上 海 ２０４ ０ ２０ 张秀彬 ，男 ，福 建人 ，上海 交通大 学 电气 系 ，博导 ，高 级信 号处理 与智 能控 制方 向，上海 应 俊豪 ，男，上 海人 ，上 海交通 大学 电气系 ，博士研 究生 ，计算 机视 觉 ，上海 ２ ０４ ０ ２０
时定时采 样而提 出变 Ｍ 法 ，并且采样脉冲序 列的上升沿和 下 降沿 ， 使 在 不 改 变 编 码 器 制 造 工 艺 增 加 单 周线 数 的 条 件 下，提高 了转速和转角的测量精度 ，并且增大 了转速和转角
测 量 的分 辨 率 【。 ｌ ｊ
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ｘ１ ０ ０ ％
（） ２
基于正交编码 器高精度测速方法 的研 究
焦 东升 ，张 秀彬 ，应 俊 豪
摘 要 ：根据正 交光 电编码 器测速原理 ，在分析 了Ｍ 法测速的测量误差和分辨率 的基础 上，提 出 了一种改进的转速高精度测 量 方法— — 变 Ｍ 法 ， 即 同 时测 量 正 交 的 两 组脉 冲序 列的 上 升 沿 和 下 降 沿 ，极 大 的减 小 了转 速 和转 角测 量 误 差 ，提 高 了分 辨
在 Ｍ 测速法 中，测速误差决定于编码器 的制造精度 ， 以及编码器输 出脉冲 前沿和测速 时间采样脉冲前沿不齐所 造成的误差等，最多可能产生一个脉 冲的误差 ，因此 ， 测
速 法 误 差 的 最 大 值 为
的 Ｍ 法不能满足高精度和 宽测量范 围的要求，本文在 Ｍ 法 基础上，利用正交编码器 相位相差 ９ ０ Ｏ 的条件将脉冲序列 同
Ｍｉｒｃ ｍｐ ｔｒ ｐｉａｉｎ ｏ． ６ Ｎｏ１ ， ０ ０ ｃｏ ｏ ｕｅ Ａｐ ｌ ｔ ｓＶ １２ ， ．０ ２ １ ｃ ｏ
文 章 编 号 ： １０ —５Ｘ（０ ０１．０ ３０ ０ ７７ ７ ２ １）００ １—３
研 究与 设计
微 型 电脑 应 用
２１ ０ ０年 第 ２ ６卷第 １ ０期
・１ ・ ３
２ ０４ ０２ ０
Ｍｉ ｏ ｏ ｕ ｅ Ａｐ ｌ ａ ｏ ｓ ｏ． ６ Ｎ ． ， ０ ０ ｃ ｃ ｍｐ ｒ ｒ ｒ ｐ ｃ ｔ ｎ １２ ， ｏ ０ ２ １ ｉ ｉ Ｖ １
研 究与 设计
徽 型 电脑 应 用
２１ 年第 ２ ００ ６卷第 ｌ ０期
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劣 的工 业 现 场 。
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由式 （ ）可知，＆ｎｘ与 Ａ ２ ａ 成反 比，即转速越高 ，误 差率越 小。因此适合工业现场 高速运行 的被测系统【】 ２。
法 测 速 的 分辨 率 为
６（ ０Ｍ
—
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１ Ｌ ）
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ｆ ）
１ 变 Ｍ 法测 量转速 方法 的提 出和精度 分析
一
脉 冲宽度 测量
图 １ Ｍ 法 测速 原理 图
两组 脉 冲 序 列 Ａ 和 Ｂ 相 差 ９ 。 ０。 采用编码器测速 的常用方法有 Ｍ 法和 Ｔ法…，Ｔ法在
在 上 式 （ ） 中 ，Ｐ 和 均 为常 值 ， 因此 转 速 ｎ正 比于 １ 脉冲个数 ＾ 。
定步长采样 中应用较多 ，转速较低时 ，分辨率较高 ，Ｍ 法 在定 时采样中应用比较 多，转速较高时，分辨率 比较高，但 是对于工业现场 高速旋转被测机械装 置， 适用较高转速测量
１１ ． 法 测 速 原 理
’
Ｐｉ ｃ
Ｐ Ｔ：
Ｐ ｅ
由式 （ ）可知 ，Ｍ 法测速的分辨率与 实际转速的大小 ３
在一定的时间 内测取光 电编码器脉冲个数 Ⅳ， 以计 用
算 这 段 时 间 内 的平 均 转 速 ，称 作 法 测速 ，如 图 ｌ所 示 ，
无 关，要提高分辨率 ，必须增大 Ｐ和 ，但在实际 中，增 大 尸 收到编码器制造工艺限制，增大 势必是采样 相输出脉冲超前 Ａ 相 ，计数器递减 ，编 码器旋转一周 ，程序输 出角度一６ 。 。 ３ ０～０ 循环一次 。对于线 数为 １０ ｐｒｖ的 Ｔ Ｄ． Ｋ１０ 一Ｚ光 电编码器测量角度的 ００ ／ ｅ Ｒ Ｇ ０ ０Ｒ 分 辨 率