基于STM32的光栅尺速度位移检测

2013-09-04郑忠杰陈德传

杭州电子科技大学学报(自然科学版) 2013年5期

郑忠杰，陈德传

(杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州310018)

0 引言

在精密直线伺服控制场合，一般使用光栅尺作为速度、位移检测元件，它的测量精度高，可达几微米［1］。为提高光栅尺的分辨率，传统做法是利用数字逻辑芯片对光栅尺的输出信号进行4倍频和辨向［2］，然后再传送给后续处理单元。近年来也有人用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)来实现 4倍频和辨向功能［3、4］，这样虽然精简了元器件，但 FPGA本身成本也较高。STM32F103VE是意法半导体公司推出的面向工控领域的高性价比的32位微处理器，共含有8个16位定时器，其中6个定时器可工作于编码器模式，内置4倍频和辨向功能，且可抑制脉冲抖动［5］，模式十分适合于反馈光栅尺的实时速度和位置。为此，本文探讨了基于STM32F103VE的光栅尺信号处理和速度位移检测方法，具有实用意义。

1 工作原理

本文以普通光栅尺为研究对象，其输出4路相位依次相差90°的近似正弦信号。由方波的信号特征可知最多可对正交方波进行4倍频处理，且4倍频后的每个信号脉冲均对应于某一实际位置。具体的信号处理过程如图1所示，步骤为:(1)对4路正弦信号通过运算放大器TL082进行差分放大后得到2路正交正弦波;(2)2路正交正弦波经施密特触发器CD40106整形后得到2路正交方波;(3)2路正交方波经光耦隔离后送入微处理器STM32F103VE，由定时器进行4倍频和辨向，并对脉冲进行加减计数，进而计算速度位移。

图1 光栅尺信号处理过程

2 信号处理电路

光栅尺输出4路信号ui，可表示为:

式中，up为直流偏置，A为信号幅值，w为光栅栅距，x为光栅位移。由于幅值A很小，因此需将2对信号(ui，ui+2)经如图2所示电路进行差分放大，得到2路相位依次相差90°正弦信号uoi，i=0，1。在图 2 中，R1=R3，R4=R5=2R2，C1=C2，则输入输出关系可表示为:

式中，α=R2/R1为放大系数，与后续施密特触发器的上下门限有关，=R2C1为滤波常数，由关系式1/＜(1 000VmaxN)求出，其中Vmax为光栅尺最大速度，N为光栅尺每毫米线数。

将2路正弦信号uoi经施密特触发器整形后可得2路相位依次相差90°的方波信号A、B，其电路如图3所示，波形如图4所示。图3中，R6=R7，C3=C4，主要是为了消除运放的噪声，由关系式R6C3＜1/(20×1 000VmaxN)求出。图4中，VT+和VT－分别为施密特触发器CD40106的上下门限。

图2 带直流偏置的减法电路

图3 整形滤波电路

A、B信号经光耦隔离后便可送入微处理器。STM32F103VE的定时器在编码器模式下计数器的动作如图5所示。计数器对A、B信号的上升沿和下降沿同时进行计数从而实现4倍频效果，根据A、B信号的超前滞后关系决定向上计数还是向下计数，此外，图5也显示了输入信号A、B的抖动是如何被抑制的。

图4 uoi与A、B信号时序图

图5 编码器模式下的计数器动作

3 速度位移检测方法

为了在光栅尺低速和高速运动时使速度都具有较高的检测精度，采用M/T法测速［6］，其示意图如图6所示。图6中，Tc是采样时钟，其值固定不变;T是检测周期，由采样脉冲Tc边沿之后4倍频信号的第一个脉冲边沿决定，其值是可变的。假设光栅尺移动速度为V，检测周期T内光栅尺的位移量为d，则:

在检测周期T内检测到的4倍频脉冲数为M1，则位移d又可表示为:

若时钟脉冲频率为f0，在检测周期T内时钟脉冲计数值为M2，则检测周期T为:

图6 M/T法测速示意图

综合式3 5便可求出移动速度为:

对4倍频脉冲数一直累加计数得到M3，则光栅尺的位移为:

软件设计方面需用到4个定时器，其中定时器1 3用于M/T法测速，定时器4用于位移检测。定时器1工作于定时模式，每隔Tc时间产生一个中断;定时器2工作于编码器模式，用于对A、B相信号4倍频和辨向，及对脉冲计数以获得M1;定时器3工作于计时模式，用于对微处理器时钟脉冲计数以获得M2;定时器4工作于计数模式，对4倍频信号累加以获得M1Σ。定时器1 4的中断程序如图7 10所示。

图7 定时器1中断程序

图8 定时器2中断程序

图9 定时器3中断程序

图10 定时器4中断程序

图8中，M1、M2的计算公式分别为:

图9中，M3的计算公式为:

式中，T4_CNT为定时器4的当前计数值。

4 实验分析

经差分放大后的正弦信号和整形后所得的方波信号如图11所示，从图11中可以看出，经施密特触发器整形后所得的方波边沿十分陡峭。光栅尺输出正弦信号的实际频率与经ST－M32F103VE内置4倍频后的所测频率如表1所示，从表1中可知，在中低频时所测频率值几乎等于实际值，在高频时也仅有微小误差，满足伺服系统的精度要求。