基于EPA的光栅位移测量系统原理及设计方案

直接影响测量分辨率和精度的重要因素。对于不同的光栅尺，其测量的分辨率、精度以及量程都不一样。光栅传感器的栅距通常为0．02mm(50线对／mm)、0．04mm(25线对，／mm)。输出信号有相位角差90°的两路方波信号和相位角依次差90°的四路正弦信号。由于方波信号为数字量，不需要A／D转换，DS80C410就可以直接进行处理，所以本文重点讨论方波输入信号，而对于正弦波信号，经过整形可变为方波信号输出。

　　本文采用高阈值逻辑(HTL)信号输出的SGC－4．2光栅尺作为位移测量元件。这种光栅尺的特点是阈值电压比较高，因此它的噪声容限比较大，有较强的抗干扰能力。它的主要缺点是工作速度比较低，所以多用在对工作速度要求不高而对抗干扰能力要求较高的一些工业控制设备中。

　　2．2四倍频电路设计原理

　　在实际应用中，光栅传感器输出两路相位相差为90°的方波信号A和B。如图1所示，用A、B两相信号的脉冲数表示光栅走过的位移量，标志光栅分正向与反向移动。四倍频后的信号经计数器计数后转化为相对位置。实现计数过程一般有两种方法：一是由微处理器内部定时计数器实现；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数。

　　光栅信号A、B有以下关系：

　　①当光栅正向移动时，光栅输出的A相信号的相位超前B相90°，则在一个周期内，两相信号共有4次相对变化：00－10－11－01－00。这样：每发生1次变化，可逆计数器便实现1次加计数，1个周期内共可实现4次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数。

　　②当光栅反向移动时，光栅输出的A相信号的相位滞后于B相信号90°，则一个周期内两相信号也有4次相对变化：00－01－11－10－00。同理，如果每发生1次变化，可逆计数器便实现1次减计数，在1个周期内，共可实现4次减计数，就实现了反转状态的四倍频计数。

　　③当线路受到干扰或出现故障时，可能出现其他状态转换，此时计数器不进行计数操作。

　　综合上述分析，可以做出处理模块状态转换图，如图2所示。其中“+”、“－”分别表示计数器加／减1，“0”表示计数器不动作。

　　3光栅位移测量系统的总体设计

　　光栅位移测量系统的结构框图如图3所示。系统工作时，SGC－4．2光栅尺将位置信号先转化成HTL电压信号输出，经过调理电路滤波和整流后，处理成标准的方波信号。然后控制器DS80C410通过内部高速计数器对外部的方波信号进行计数运算。一方面向伺服驱动器发布电机动作指令，控制电机驱动位移执行机构运动；另一方面通过以太网收发芯片XT972ALC进行读写操作，将工业现场的测量信息上传到工业以太网络上，便于管理者进行全局决策。

　　4光栅位移测量系统的硬件设计

　　光栅位移测量系统的硬件实现主要包括位移检测电路、电源电路、人机接口和声光报警电路以及工业以太网接口电路的设计。

　　4．1基于集成芯片的光栅位移检测电路

　　光栅信号检测电路可以由光敏三极管、比较器LM339、2片74193串联组成。但是这种设计方案往往需要增加较多的可编程计数器，电路元器件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降。因此，本文对经过SGC－4．2型光栅尺(50线／mm)出来的脉冲信号进行倍频处理时，选择4倍频专用集成电路芯片QA740210来实现，对信号4细分后，可得分辨率为5μm的计数脉冲，这在工业测控中已达到了很高的精确度。QA740210集成电路可将两路正交的方波进行四倍频，并能根据输入信号的相位关系进行相位判别，产生2路加、减计数信号，可直接送到DS80C410高速计数器进行计数。

　　为了使QA740210正常工作，需要设计由X0、X1、X2构成的振荡器。振荡频率与电源电压无关，仅取决于充电和放电的总时间常数，即与R1和C1的值有关。本文选用R1＝100Ω，C1＝10μF，所示振荡频率ｆ＝250kHz。具体的实现电路如图4所示。

　　SGC－4．2型光栅传感器输出的是HTL方波信号，而QA740210的工作电压为+5V，所以必须通过电平转换才能实现倍频脉冲的输出。电平转换电路如图5所示。

　　4．2电源电路

　　在进行整个控制系统设计时，如果电源系统过于复杂和冗余，不仅会对其他部分电路产生电磁干扰，而且经济效益也不好，所以设计中所有芯片都选择的是5V、3．3V或者1．8V供电电压。这样，电源设计时只要用3片LM2596和一些电容、电感、二极管等就可以将24V电压直接转化为所需电压，电路设计不仅容易，也非常经济，电源电路如图6所示。具体使用时可以根据需要选择LM2596－5V、LM2596－3．3V、LM2596－1．8V的芯片。要获得+1．8V和+5V时用图6(a)的接法，要获得+3．3V时，用图6(b)的接法。

　　4．3人机接口和声光报警电路

为限制位移执行机构在规定的范围内运动，必须用软件设置限位开关，每一边界