來源：《電子技術(shù)應用》

摘要：提高位置測量的精度，是提高電機定位精度的主要途徑。作為當前常用轉(zhuǎn)角位置傳感器的增量式光電碼盤，常采用四倍頻的方法提高其測量精度。針對一些精度和穩(wěn)定性不高的四倍頻電路在應用中造成的誤差詳細分析了兩種可應用于不同環(huán)境的四倍頻電路，從原理上說明了電路的精度和穩(wěn)定性其結(jié)論在實際應用中也得到了驗證。 關(guān)鍵詞：電機控制 伺服電路 光電碼盤

在分布于各個行業(yè)的大量機電系統(tǒng)的設計中，定位精度常常是最關(guān)鍵的性能指標之一。在此類系統(tǒng)的設計中，當前主要使用電機作為驅(qū)動，因此研究提高電機伺服系統(tǒng)定位精度的方法，對提高機電系統(tǒng)性能具有重要的意義。對于一個設計完善的伺服系統(tǒng)而言，其定位精度主要取決于位置測量裝置[１]。由于光電碼盤具有分辨率高、響應速度快、體積小、重量輕、輸出穩(wěn)定、耐惡劣環(huán)境等特點，所以在電機伺服控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。通常，光電碼盤分為絕對式和增量式兩種。絕對式碼盤在任意位置都可給出與位置相對應的數(shù)字轉(zhuǎn)角輸出量，不存在四倍頻的問題。增量式碼盤是根據(jù)軸所轉(zhuǎn)過的角度，輸出一系列脈沖，并通過計數(shù)電路，對脈沖進行累計計數(shù)，得到相對角位移。由于單個絕對碼盤的角位移的測量范圍僅為０°～３６０°，需多個碼盤才能測量大于３６０°的角位移，從而提高了系統(tǒng)的價格和復雜程度；而增量式碼盤轉(zhuǎn)角測量范圍只受計數(shù)電路的位數(shù)限制，結(jié)構(gòu)簡單，價格較低，因此得到廣泛應用。本文提到的光電碼盤，都是指增量式碼盤。

在實際應用中，通常采用四倍頻的方法以提高光電碼盤的定位精度。因此，結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、運行可靠的四倍頻電路，是電機伺服電路的一個重要組成部分。通常，光電碼盤的四倍頻電路與判向電路設計為一個整體，故又統(tǒng)稱為四倍頻及判向電路。能夠?qū)崿F(xiàn)四倍頻的電路結(jié)構(gòu)很多，但我們在應用中發(fā)現(xiàn)，由于某些四倍頻電路的精度或穩(wěn)定性不高，從而使加入四倍頻電路后，精度本應得到提高的系統(tǒng)，整體性能反而下降，從而使系統(tǒng)無法達到設計要求[２]。為此，我們在分析幾種常見四倍頻電路的基礎上，針對不同的應用，設計了兩種不同的電路實現(xiàn)方案。下面，對四倍頻電路的設計原理及兩種方案的結(jié)構(gòu)和使用方法進行討論。

１ 四倍頻電路設計原理

光電碼盤的典型輸出為兩個相位差為９０°的方波信號（ａ和ｂ），以及零位脈沖信號ｚ（見圖１）。其中，ａ、ｂ兩相信號的脈沖數(shù)標志碼盤軸所轉(zhuǎn)過的角度，ａ、ｂ之間的相位關(guān)系標志碼盤的轉(zhuǎn)向，即當ａ相超前ｂ相９０°時，標志碼盤正轉(zhuǎn)（見圖１ａ），當ｂ相超前ａ相９０°時，碼盤反轉(zhuǎn)（見圖１ｂ）。

對于每個確定的碼盤，其脈沖周期ｔ對應的碼盤角位移固定為θ，故其量化誤差為θ／２。如果能夠?qū)ⅲ峄颍庑盘査谋额l，則計數(shù)脈沖的周期將減小到ｔ／４，量化誤差下降為θ／８，從而使光電碼盤的角位移測量精度提高４倍。由于伺服系統(tǒng)中的碼盤轉(zhuǎn)速具有不可預見性，造成脈沖周期ｔ具有不確定的特點，從而無法使用鎖相環(huán)等常用倍頻方案。詳細觀察圖１可以發(fā)現(xiàn)，在脈沖周期ｔ內(nèi)，ａ、ｂ兩相信號共產(chǎn)生了四次變化，即ｔ１、ｔ２時刻的上升沿和ｔ３、ｔ４時刻的下降沿。盡管ｔ不確定，但由于ａ、ｂ兩方波信號之間相位關(guān)系確定，使這四次變化在相位上平均分布，如果利用這四次變化產(chǎn)生四倍頻信號，則可以實現(xiàn)光電碼盤測量精度的提高。

四倍頻后的碼盤信號，需經(jīng)計數(shù)器計數(shù)后，才能轉(zhuǎn)化為相對位置。計數(shù)過程一般有兩種實現(xiàn)方法：一是由可編程計數(shù)器或微處理器內(nèi)部定時／計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)；二是由可逆計數(shù)器實現(xiàn)對正反向脈沖的計數(shù)。當需控制的電機數(shù)量少時，前一方案附加元件少，結(jié)構(gòu)簡單，較為容易實現(xiàn)。如使用８０３１控制一路電機，則無需添加任何器件，利用其內(nèi)部的ｔ０及ｔ１計數(shù)器，即可實現(xiàn)計數(shù)。當需控制的電機數(shù)量較多時，則采用后一種方案，利用復