无锁存功能脉冲计数器的改进读取方法

　　1　引言

　　伺服控制系统通常采用增量式光电码盘作为位置传感器,因此需要一个脉冲计数器对码盘输出的脉冲进行计数,完成位置的反馈。单片机在每个伺服周期读取一次脉冲计数器的值,得到以脉冲的个数表示的电机轴的位置,进而完成位置伺服。在实际的应用中,为了降低成本,有些脉冲计数电路并没有配置锁存单元,这使得在单片机读取脉冲计数器的值时,如果恰好脉冲计数器发生进位或者借位,则可能得到错误的计数值,导致位置伺服的偏差。

　　2　码盘计数原理

　　2.1　光电码盘结构

　　光电码盘由光栅、发射器、接收器组成。光栅与电机轴固连,电机转动时,电机轴带动光栅转动,从而使发射器与接收器之间的光路交替通断,接收器就会产生脉冲。计数电路就是利用此原理记下产生的脉冲的个数,进而得到电机轴转过的角度。

　　光电码盘通常分为绝对式和增量式两种。绝对式码盘在任意时刻都可以提供数字转角输出量,不需要指定初始位置就能得到相对于码盘初始位置的瞬时角位移;增量式码盘是根据电机轴所转过的角度,输出一系列脉冲,并通过计数电路,对脉冲进行累计计数,得到相对角位移。由于单个绝对码盘的角位移的测量范围仅为360°,测量大于360°的角位移需要多个码盘,从而提高了系统的价格和复杂程度;而增量式码盘转角测量范围只受计数电路的位数限制,结构简单,价格较低,因此得到了广泛的应用。

　　增量式光电码盘通常有3个输出信号:2个工作信号(A和B)和1个零位标志信号(Z)。工作信号来自码盘上沿圆周方向刻出的两组码孔,这两组码孔沿不同的圆周均匀分布,彼此相差1/4个周期,工作信号的输出为2个相位差为90°的方波信号。A、B两相信号的脉冲个数表示电机轴所转过的角度,A、B之间的相位关系表示电机轴的转向,即A相超前B相90°时,表示电机正转;B相超前A相90°时,表示电机反转。零位标志信号来自另外一个码孔,电机轴每旋转一圈产生一个零位标志脉冲。

　　2.2　四倍频与计数

　　对于增量式码盘,通常采用四倍频的方法提高光电码盘的测量精度,即在每个时钟信号周期内记录A相和B相的状态,如果AB相状态的变化顺序是10->11->01->00->10,则表示电机正转,计数器的值加1;如果AB相状态的变化顺序是11->10->00->01->11,则表示电机反转,计数器的值减1。其中计数器的时钟信号的频率至少是A相脉冲频率的4倍。A相与B相的相对关系如图1所示。

　　四倍频后的码盘信号需经计数器计数后,才能转化为相对位置。计数的功能可以由单片机内部定时器实现,也可以由专用电路实现。第一种方法硬件结构简单,但是增加了单片机的资源消耗,尤其在电机码盘的精度较高,电机转速较快的场合,计数器需要频率很高的时钟信号。例如电机码盘的精度为1 000线,电机的额定转速是9 000 r/min,则A相或B相每ms产生的脉冲的个数是1000×9000/60/1000=150,四倍频后的脉冲个数是600个/ms,计数器的时钟信号的频率至少要达到0.6 MHz,若时钟信号的频率达不到要求,则会产生检测误差。因此在实际应用中通常采用专用硬件电路实现四倍频和计数的功能,这种专用电路通常称为脉冲计数器。采用专用的硬件电路完成四倍频和计数的功能,可以提高单片机的运行效率,保证计数的正确性。