基于感应传感的位置增量编码器设计

黄 健 张善文

(西京学院，西安 710123)

基于感应传感的位置增量编码器设计

黄 健 张善文

(西京学院，西安 710123)

为解决传统编码器的易损坏、可靠性不高、更换价格昂贵的问题，提出采用非接触式、电感感应传感设计位置编码器的方案。用LDC1312数字电感传感器作为感应探头，检测涂有金属物的旋转圆盘，将其感应测量到的数据通过IIC接口送入MSP430F5529处理数据，实现对旋转圆盘位置的检测。该设计与机械编码器相比，具有寿命长、可靠性高，适用于在油渍、潮湿、灰尘等恶劣环境工作的优点。

增量编码器 感应传感 探测器

1 引 言

在工业生产和实验中，经常要检测物体的角位移和直线位移。可采用编码器对检测信号进行编码，并将其转换为可传输、存储的信号形式。其中增量式编码器是将位移转换为周期性的电信号，再转换为脉冲信号，用脉冲个数表示物体的位移。

传统的机械式编码器，由于是接触式的机械系统，使用中会产生机械磨损以此降低系统的可靠性。若长期使用，则会损坏编码器，以至于更换器件，增加硬件成本。替换策略是使用光电传感器，但同样会受灰尘、潮湿等恶劣环境的影响，特别是在汽车工业和其它工业中带来长久的不稳定性问题[1～5]。

为有效解决上述问题，提出采用感应传感非接触技术，使用数字电感传感器设计增量式编码器，并将结果转换为数字量，送给低功耗微处理器进行处理。此种方法可有效降低成本，提高可靠性，可在恶劣环境中使用，甚至可实现防水功能，可广泛应用在汽车工业和消费电子产品中。

2 系统设计框图

系统设计框图如图1所示。图1中用感应电感传感器LDC1312检测涂有金属物的被检测物体，将检测到的信号转换为数字量，通过IIC接口与微处理器MSP430G5529相连。微处理器将处理后的信号送到TFT真彩液晶屏上显示。

要实现增量式编码器，要在旋转物体上安装上图2所示圆盘，最小圆的半径是5mm，中间圆的半径是10mm，最大圆的半径是26mm，在中间圆和最大圆之间有夹角为22.5°的扇形黑色区域共8个，等间距排列。其中黑色扇形区域涂有金属物，可与电感互感，以达到检测的目的。

3 系统设计原理

3.1 数字电感转换原理

电感互感电路图如图3所示。当交流电从电感线圈上流过时将会产生交流磁场。当有金属物靠近该磁场时，将会在其表面产生电流，一般称为涡流[6～8]。

涡流通常是距离、尺寸和导体材质的函数。涡流通常会产生与原磁场相反的磁场，会对原磁场有所削弱。

互感的等效并联电路图如图4所示，电磁场感应等效于一个并联RLC谐振电路。在感应传感应用中，电阻元素是指寄生电路损耗而非具体元件。

图4中的R-L-C振荡电路由带有闭环增益的选频电路构成，振荡的标准是：1)环路增益大于1;2)闭环相移为2π弧度。

在R-L-C谐振时，可提供频率选择和相移。由于L和C并不消耗能量，所以整个电路只剩下耗能元件电阻Rp。其中Rp可通过下面的公式(1)计算

(1)

式中：Q——品质因数，是电抗与等效并联电阻的比值；L——并联电感，H；C——并联电容，F；Rp——电阻，Ω；Rp可决定传感器的驱动电流，较低的Rp需要较大的驱动电流以维持恒定的振荡幅度。很明显，增大Q和L或者降低C均可增大Rp,反之可降低Rp。

3.2 移动物体检测方法

假定一个平面导电目标沿水平方向相对于R-L-C谐振电路移动，通过感应频率的变化，将其转换为数字量输出。如图5所示。图5中自制PCB谐振感应器详细设计图如图6所示。图6中线宽为14mm。

移动目标是一个铝制圆盘，靠近或者远离自制PCB谐振感应器，都应该保持两个面的平行。

图7所示是目标移动距离与PCB谐振感应器共振时的电感大小与频率大小之间的对应关系。从图中可以看到，当距离从0增大到8mm时，感应电感从0.2μH增大到6.8μH，感应频率从4.9MHz降低到3.45MHz。

当感应距离发生变化时，可以看到感应频率发生了明显的变化。这种大范围的频移有利于测量更多的中间离散量，可实现高分辨率的物理测量。

图8所示是自制PCB线圈直径与感应电感大小之间的对应关系。从图中可以看出，随着直径的增大，感应电感量明显增大。

Rp与目标距离之间的关系如图9所示。从图中可以看出，随着Rp阻值的增大，感应距离会明显变大。因此一般选定的Rp值要大于1.5kΩ。

3.3 LDC1312数字电感检测原理

LDC1312结构框图如图10所示，图中IDRIVE为提供给Rp的耗散电流。

LDC1312通过测量共振频率fSENSOR来测量传感器的电感。fSENSOR由传感器的电感和电容决定，如公式(2)所示。

(2)

从公式(2)可以看出，传感器的频率与电感的二次根成反比。当电感值降低10%，频率提供4.9%。LDC1312通过公式(3)将频率fSENSOR转换为12位数字量输出。式中fREF为参考频率。

(3)

4 硬件电路设计

4.1 LDC1312前端探头设计

LDC1312前端探头设计如图11所示， 共用到4个LDC1312，因为每个LDC1312是双通道，所以传感器A0和传感器B0构成一对，用一个LDC1312采集数据；传感器A1和传感器B1构成一对，用一个LDC1312采集数据；以此类推，共用到4个LDC1312传感器[9]。

LDC1312采集到的频率经过公式(3)转换为数字量，通过IIC总线与MSP430F5529连接图如图12所示。图中SDA和SCL分别连接到MSP430F5529的P41和 P42。

5 测试结果

按照上述硬件连接图进行硬件电路设计，并在IAR下编写程序。旋转目标转盘，用IIC总线读取的数字量与角度之间的对应关系如图13所示[10]。图中所示是目标物体与LDC1312传感器的垂直距离为0.5mm时，通过IIC总线读到的两个传感器输出的数字量，基本上符号正弦曲线。通过曲线的对应关系，就可以确定目标物体的旋转角度。

图14所示是当距离为1mm时，目标物体的旋转角度与数字量之间的对应关系图，从图中可以看出，它们的对应关系基本上也符合正弦曲线。因此通过查表程序，就可确定角度。

6 结束语

本文提出了一种采用感应传感设计位置增量式编码器的新方法。文中详细阐述了感应传感的基本工作原理。通过将感应探头均匀分布在圆盘上，检测带有金属物的目标物体相对于感应探头旋转时产生的数字量。当旋转一圈时，读取的数字量正好符合正弦曲线。测试结果表明：通过读取该数字量，并确定数字量与角度之间的对应关系，可确定目标物体的旋转角度。该编码器相对于机械式编码器而言，具有低成本、无接触、可靠性高等优点。可应用于潮湿、油渍、灰尘等恶劣环境中，具有一定的实用价值。

[1] 孙莹，万秋华等。航天级光电编码器的信号处理系统设计[J]. 光学精密工程,2010,18(5):1 182～1 187.

[2] 齐荔荔，万秋华. 高分辨力面阵图像式光电编码器的测角技术[J]. 仪器仪表学报,2013,34(1): 234～240.

[3] 文晓燕，郑琼林，韦克康，王琛琛. 增量式编码器测速的典型问题分析及应对策略[J].电工技术学报,2012,27(2):185～189.

[4] 齐荔荔，万秋华. 图像式光电编码器的测角技术及其硬件实现[J].光学学报,2013,33(4):0412001-1～ 0412001-10.

[5] 王显军. 基于SOC单片机的高集成度光电编码器电路设计[J]. 光学精密工程,2011:19(5):1 082～1 087.

[6] 孙树红,梁立辉,万秋华. 基于DSP的光电编码器自动检测系统[J].红外与激光工程,2013,42(9):2 536～2 539.

[7] 陈晓荣, 陈淑芬, 杨甫勤. 增量式编码器的相位编码细分研究[J]. 仪器仪表学报,2007,28(1):132～135.

[8] 于海，万秋华等. 小型绝对式光电轴角编码器动态误差分析[J]. 中国激光,2013,40(8): 0808004-1～0808004-7.

[9] 冯英翘, 万秋华. 小型光电编码器细分误差校正方法[J]. 仪器仪表学报,2013,34(6): 1 374～1 379.

[10] 郁有文，常健. 绝对码编码器中一种新型的编码方法[J]. 仪器仪表学报,2004,25(4):541～544.

Design of Position Incremental Encoder based on Inductor Sensor

HUANG Jian ZHAGN Shan-wen

(XiJing University,Xi′An 710123, China)

In order to solve the problems of easy damage, low reliability and expensive replacement of traditional mechanical contact-based encoders, a design scheme of position encoder using contactless and inductive sensing is proposed. LDC1312 digital inductance sensor is used as the sensing probe to detect the rotating disk with metal. The digital quantity of the sensor is connected with the MSP430F5529 through the IIC interface, and the number of the pulse signal is processed by the MSP430F5529 to achieve the detection of the position of the rotating disc. Compared to the design of mechanical contact-based system, it has the advantages of high reliability, long life and for used in moisture, dust and other harsh environments.

Incremental encoder Inductive sense Detector

2016-08-30，

2016-11-04

黄健(1973-)，男，副教授，主要研究方向：嵌入式开发技术。

1000-7202(2017) 02-0095-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.20

TP212

A