LC振荡的旋转编码器的研究与设计.doc

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1、基于LC振荡的旋转编码器的研究与设计发布时间：2009-04-20    作者：刘晨之河海大学计算机及信息工程学院        我要评论摘要：现有的旋转式编码器虽然种类较多，可选择的余地较大，但他们普遍存在的问题是灵敏度高时功耗也大，功耗小时灵敏度也相应较低，二者优点往往无法同时兼顾。目前尚无一种功耗低、灵敏度高的编码器可供选用。因此研究一种功耗小、灵敏度高的旋转编码器具有一定的实用价值。本文基于LC振荡的原理，提出一种功耗小、灵敏度高的旋转编码器的设计思路。其特点是：将金属感应体接近和离开LC振荡器的电感时所产生的振荡波衰减变化值，作为编码传感状态送入码值

2、产生电路，进行编码后输出码值。文中重点介绍了编码原理及纠错的方法。　　1.引言　　旋转编码器按编码方式可分为增量式和全量式（或绝对式）；按传感方式可分为开关式（接触式）和光电式（非接触式）[1]。增量式编码器只能产生记数脉冲和方向信号（增减信号），结构简单，价格低廉，但需要记数装置进行记数。当受到大的干扰而丢数时，编码器本身不能记住当前编码器的位置，因而可靠性略差。全量式编码器能够产生全量程的各个编码信号，不需要记数装置，当受到大的干扰而丢数时，编码器能够记住当前编码器的位置CONTROLENGINEERINGChina版权所有，因而可靠性高。但结构复杂，价格

3、昂贵。这两种编码器既可以用开关进行传感，也可以用光电元件进行传感。开关传感式编码器的传感元件是无源器件，因而可以用于低功耗场合。但由于电刷开关的摩擦阻力或行程开关的凸轮阻力，开关传感式编码器一般不能用于灵敏编码的场合。光电传感式编码器的发光元件需要消耗一定的电流，因而一般不能用于低功耗场合。但由于光电元件没有接触阻力（轴与轴承的摩擦阻力忽略不计），光电传感式编码器可以用于灵敏编码的场合。综上所述，现有的旋转式编码器二者优点往往无法同时兼顾。目前尚无一种功耗低、灵敏度高的编码器可供选用。　　2.编码原理　　图2.1振荡衰减检测原理图　　如图2.1所示：当充满电的

4、电容与电感并联便会产生自由振荡，如果振荡回路没有损耗振荡就会一直进行下去。但实际电路总会存在损耗，因此实际的自由振荡是（弱）衰减振荡。当有闭合金属靠近电感时控制工程网版权所有，由于闭合回路的涡流感应消耗振荡回路的能量，使振荡衰减加速[2]。　　通过检测一定延时时间的振荡幅值就可以知道是否有闭合金属靠近传感器线圈，如图所示。　　图2.2延时检测原理图　　图2.2中dt是延时时间，gt是检测时间。　　振荡衰减检测型传感器的优点是，传感器线圈仅一个绕组，结构简单，外围电路元件少。缺点是需要特殊的控制电路，通常需要有专用的处理器来控制。这里采用的是TI公司的MSP43

5、0FW42x单片机，设计振荡衰减检测型传感器（以下简称LC传感器）。　　LC传感器采用振荡检测电路作为传感器。振荡检测电路的传感元件是LC振荡器，属于非接触式传感，它的阻力等同于光电编码器，工作阻力非常小（只有轴和轴承的摩擦阻力），工作平稳，结构简单（甚至比光电开关还简单），同时LC型编码器的功耗极低（实测<10μA），因而它可以用于既要求灵敏编码、工作平稳，同时又要求低功耗的场合。　　LC型编码器采用编码、记数相结合的方式进行旋转编码。LC振荡器如果采用2个，即可组成最小格雷码编码器，编码值为：00、01、11、10，共可以编码4个数控制工程网版权所有，超过

6、4个数的范围采用电子计数器记数（正、负记数），使编码器的量程扩大。　　旋转码盘的基本结构是一片金属材料和一片非金属材料交替组成的栅格，根据码盘直径的大小可以分布不同数量栅格。由于LC振荡器在接近金属片和远离金属片时，振荡的衰减速度是不同的，根据需要可以将衰减快的位置定义为“1”，将衰减慢的位置定义为“0”，反过来定义也一样。　　增量编码器的码盘如图：　　图2.3增量编码器的码盘示意图　　增量码盘的编码顺序如图所示：　　图2.4对应编码示意图　　从增量编码器的信号输出次序00,01,11,10可以看出，信号符合循环码的排列次序。所以，增量编码器也是最小循环码编码

7、器。通过检测A，B传感器，就完成了对旋转运动的编码过程　　3.计量及纠错　　由前可知A、B两个信号的状态转移共会CONTROLENGINEERINGChina版权所有,出现16种结果：　　1、递增转移：00→01，01→11，11→10，10→00；　　2、递减转移：00→10，10→11，11→01，01→00；　　3、“0“转移：00→00，01→01，11→11，10→10；　　4、错误转移：00→11，01→10，11→00，10→01。　见状态图：　　图2.5状态转移图　　其中递增转移和递减转移都是正常转移。“0”转移其实是没有转移，2种情况可能“0

8、”转移：　　第一种情况是抖动，如00→