摘  要：在交流伺服驅動系統概念的基礎上，提出了基于ACTEL現場可編程邏輯器件APA300的光電編碼器與光柵尺信號處理電路設計原理，該電路由4倍頻細分、辨向電路、計數電路組成，信號處理模塊通過VHDL語言實現。
關鍵詞：光電編碼器；光柵尺；四倍頻細分；辨向

　　基于FPGA的全數字交流伺服系統信號處理系統電路如圖1所示，以DSP芯片作為伺服驅動器的核心處理器，完成數據處理和控制算法；FPGA完成編碼信號的采集與鑒相、光柵尺信號處理、接收運動控制卡發出的脈沖信號與脈沖方向信號并返回給運動控制卡編碼器脈沖信號等。采用FPGA作為脈沖或模擬量輸出接口，對信號的每一位都用門電路進行驅動，以高速匹配其他芯片進行信息交換。由于FPGA內部是硬件電路，能實現真正的并行處理，這種預處理或后處理操作可以使DSP專注于復雜算法的實現，系統運行在準并行狀態，加快了處理速度[1]。

1 光電脈沖編碼器、光柵尺信號及電路設計要求
　　永磁同步電機的速度閉環控制過程中，必須實時檢測電機轉子位置及轉速信息，其檢測精確性直接影響對電機的控制精度。永磁同步電動機采用光電脈沖編碼器檢測電動機轉子位置檢測。位置直接閉環控制時必須實時測量軸的進給位置，進給軸的位置采用光柵尺來檢測。
　　光電脈沖編碼器是一種把角位移量轉化為脈沖信號的檢測元件，被廣泛應用于數字交流伺服電機中檢測轉子位置。光電編碼器分為增量式、絕對式以及混合式3類，增量式編碼器由于性價比高而應用廣泛。脈沖編碼器與被測軸剛性連接，轉軸每旋轉一周，脈沖發生器輸出一定的脈沖數，其輸出脈沖的頻率與轉速成正比，所以可以通過脈沖頻率來測量實現轉速。增量式編碼器輸出兩列正交的方波脈沖信號(A，B)，計算A或B列脈沖的個數可以得到位置偏移量，利用其相位關系可以確定電機的旋轉方向。增量式編碼器還輸出一路每轉一周脈沖(Z）的信號，Z脈沖可用于計算轉速，也可用于消除計算中所產生的積累誤差[2]。增量式脈沖編碼器輸出波形如圖2所示。

　　光柵尺是將光源、兩塊長光柵(動尺和定尺）、光電檢測器件等組合在一起構成的光柵傳感器。光柵尺輸出的是電信號，動尺移動一個柵距，輸出電信號便變化一個周期，它是通過對信號變化周期的測量來測出動就與定就職相對位移。目前使用的光柵尺的輸出信號一般有兩種形式：相位角相差90°的2路方波信號和相位依次相差90°的4路正弦信號。這些信號的空間位置周期為W。本系統光柵尺輸出的信號為方波信號，輸出同樣可以產生A相、B相和Z相3個電信號，A相信號為主信號，B相為副信號，兩個信號周期相同，均為W相位差90°，Z信號可以作為較準信號以消除累積誤差[3]。由于光電編碼器與光柵尺產生特性相同的信號，因此本文只介紹光電編碼器信號的處理。
　　圖2給出了編碼器A、B、Z信號的變化情況。在A信號的下降沿采集B信號，就可以判斷出運動方向。圖中前半部分為正向運動，A信號的上升沿及下降沿均比B信號超前1/4周期，在A信號下降沿采集的B信號為“1”；后半部分為反向運動，A信號的上升沿及下降沿均比B信號滯后1/4W，在A信號下降沿采集到的B信號為“0”。根據采集到的運動信號方向和A信號變化的周期數用計數器進行計數(正向計數或逆向計數），就可以測算出位置偏移量。在本伺服系統中，用到的電機編碼器為6000線，為了得到更高精度的位置偏移量，A、B信號需要進行細分。如果同時考慮A、B信號上升沿和下降沿的各種情況，就可以實現信號四細分，其主要電路有：細分辨向、計數電路等。以上功能可以由通用數字集成電路來完成，但這種設計方法所用芯片多，結構復雜。也可以通過單片機以及一些外圍芯片來完成，只是這種方法通用性差，編程復雜，而且增大了單片機的負擔，使單片機響應其他事件的實時性變差。 隨著大規模可編程邏輯器件(CPLD：復雜可編程邏輯器件；FPGA：現場可編程門陣列）的飛速發展，傳統的電路設計方法已大為改觀。許多傳統的邏輯電路完全可以用可編程邏輯器件來代替，并且可提高系統的可靠性，減小PCB的面積，使產品小型化，還有利于知識產權保護。利用EDA(電子設計自動化）技術設計可編程邏輯器件已成為現代電子設計的一種必然趨勢。本文所介紹電路就是基于FPGA芯片完成的。 該電路設計有如下要求：利用FPGA芯片完成雙路編碼器信號處理、四細分及辨向功能、32位可逆計數器、與DSP的并行接口電路。編碼器A、B信號作為輸入信號，經四細分、辨向后，為32位可逆計數器提供計數脈沖和方向信號[4]。
2 FPGA器件的選擇
　　根據設計要求和綜合估算整個電路所需要的管腳個數，本設計選用APA300。它是Actel公司PA系列產品之一，是一種嵌入式可編程邏輯器件。APA300采用CMOS SRAM制造工藝，使用SRAM來存儲編程數據，具有高密度(可用邏輯門30萬，2個PLL）、高速度、低功耗等特點，而且APA300的I\O口有290個，完全符合本伺服系統設計的需要。
3 電路設計
　　本電路采用Actel公司的Libero IDE 開發平臺進行設計。Libero IDE 為Actel公司的專門開發平臺，它包括設計輸入、編譯、仿真、器件編程等功能。該平臺使用方便，允許用戶用原理圖、VHDL語言、SmartDesign等多種輸入方法進行設計。
3.1 細分辨向電路
　　編碼器信號的細分與辨向是提高編碼器測量精度的關鍵。細分辨向電路的原理圖如圖3所示。

　　編碼器輸出的相差為90°的方波信號PBA、PBB分別經D觸發器處理后輸入到辨向電路。D觸發器作用是對信號進行整形，從而消除了輸入信號中尖峰脈沖帶來的影響，提高了系統的抗干擾性能。由圖3可知細分辨向電路的輸入是編碼器經整形濾波后的A、B信號，時鐘clkh、clkl，復位信號reset，輸出有錯誤信號error，方向信號updown，輸出的細分信號pulse。仿真波形如圖4所示。

 3.2 計數電路
 　　本系統中的32位計數器采用VHDL語言進行設計。設計原理圖如圖5所示，輸入信號定義為時鐘clock、方向信號UPDOWN ，清零信號ACLR。輸出信號定義為32位的計數結果Q[31：0]。用VHDL語言來編寫實現32位可逆計數器功能。其仿真信號如圖6所示。

　　設計經過仿真、編譯實現后，該模塊已成功應用于開發的伺服系中，實現了對光電編碼器與光柵尺(運動控制系統中的位置反饋部件）信號的四細分處理功能，性能穩定可靠。在此設計的基礎上再加上譯碼驅動和顯示電路，就可作為位移測量和顯示電路獨立使用。
參考文獻
[1] 汪衛民，李銀華，張 勁. 基于DSP+FPGA的開放式伺服運動控制器的研究[J].工業控制計算機，2006，(1):58-59.
[2] 董莉莉，熊經武，萬秋華．光電軸角編碼器的發展動態[J]．光學精密工程，2000，8(2）：198-204.
[3] 萬超，皮佑國，彭耿炎．基于合法信號認知的脈沖信號濾波技術研究[J]. 微計算機信息，2008，24(8）：208-209.
[4] 齊京禮，宋毅芳，陳建泗.VHDL語言在FPGA中的應用[J].微計算機信息，2006，22(12）：149-151.