Mahr891E电子手轮倍频电路研制

0    引言
        Mahr891E齿轮测量机是我国引进较早的齿轮测量机之一。该机是德国Mahr公司基于电子展成原理的产品,其良好的设计思想及制造工艺,至今仍被认为是测量精度较高的齿轮测量仪。某单位的Mahr891E齿轮测量机经过多年使用之后,其电子系统已经老化,故障率高,影响了正常使用,故委托我们对其进行改造。针对此设备的具体情况,我们重新开发了测量与控制系统的软件并替换原测控系统。本文拟对新系统中电子手轮的倍频鉴相电路进行介绍。
1    4倍频鉴相
1.1    原理
        电子手轮是数控机床、加工中心和测量中心等数控设备常用的手动操作元件,它实际上就是一个增量式手动编码器,每周通常为几十至数百细分。本系统采用的是一百细分的手轮,其输出为两路相差90o的方波。为了驱动电机等执行元件,有时需将这两路方波信号变换成一路方向一路脉冲,或一路正转脉冲一路反转脉冲的形式,同时进行适当的细分再送入电机驱动器,这就是倍频鉴相。这里采用的是第一种形式,即一路为方向信号,另一路为脉冲信号。倍频鉴相电路可以由阻容元件结合逻辑电路来实现,但是阻容元件会老化而逐渐改变其特性,进而影响到电路的可靠性。因此这里使用了一种由纯逻辑电路组成的4倍频鉴相电路。
        实际上,基于这种原理还可对脉冲进行更高次的倍频,特别应注意CLK信号的选择。首先,CLK的周期应大于所允许的最小脉宽(通常,驱动器和计数器都有最小脉宽限制)。其次,通过分析可知,要使电路可靠工作,则CLK的频率必须为A相或B相频率的8倍以上。
        由于本设计中采用了Altera公司的CPLD器件,所以电路很容易实现。
2    方向信号的稳定
        安装在电机或主轴上的编码器,其转轴由转动变为停止时可停留在任意位置。电子手轮则不同,为了避免不操作手轮时手轮受外界震动等因素的影响而发生蠕动,需在其一周设定有固定的停靠点,通常为每细分一个停靠点,这有些类似于波段开关。本系统中的一百细分手轮即有一百个停靠点。另外,当操作人员操作手轮时,很难实现由电机带动编码器的连续运动,从表面看似乎手轮被连续摇动,实则在每个停靠点都有顿挫,即在每个停靠点都包含有手轮向停靠点式码盘,白区为透光区,输出为高,黑区为遮挡区,输出为低,并且光源位于T区内,停靠点位于S区内。同时还规定外圈为A相,内圈为B相。不管是逆时针旋转还是顺时针旋转,都有可能导致方向信号的不稳定。例如当手轮顺时针旋转时,在每次顿挫中,摆动回停靠点之前的暂停位置在相邻两个停靠点之间是服从平均概率分布的。当暂停位置落在T区内且向左方S区摆动时,原来位于左方S区右边界的B相下降沿会变为上升沿,从而导致方向信号由低变高。逆时针旋转的情况也与此类似。这种情况会导致被手轮控制的运动轴正、反方向速度不一致,在极端情况下甚至会使运动轴仅向一个方向运动。当碰到以上问题时,解决的方法有三种:¹给两相信号均插入反相器;º将两相信号互换;»在方向信号中插入延时环节以产生滞回环节。其中第三条措施在任何情况下均有效,而第一、第二条措施则需依据停靠点所处的区段采用。
3    锁相环倍频电路
        经过上面的电路处理之后,脉冲信号的频率一般仍然小于1kHz,然而,加工中心或测量中心为了达到高的加工精度或测量精度,其脉冲当量都较小,所以在对电子手轮的信号进行上述处理之后还需进行高倍频以提高效率。例如,直线轴的移动速度v(mm/s)计的摆动,从而造成方向信号的不稳定。
        Mahr891E的直线轴脉冲当量为0.0001mm,假设上述电路输出的脉冲频率可达到500Hz,那么若想使移动速度达到5mm/s,则还需将其进行100倍频,对于如此高的倍频数,锁相环是一个不错的选择。
3.1    锁相环技术
        锁相的意义是相位同步的自动控制,能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环,简称PLL。锁相环主要由相位比较器(PC)、压控振荡器(VCO)、低通滤波器(LPF)三部分组成。当锁相环入锁时,它具有“捕捉”信号的能力,VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化,如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化,锁相环能捕捉到输入信号频率,并强迫VCO锁定在这个频率上。锁相环应用非常灵活,如果输入信号频率不等于VCO输出信号频率,而要求两者保持一定的关系,例如比例关系或差值关系,则可以在外部加入一个运算器,以满足不同工作的需要。
3.2    100倍频电路的实现
        本设计采用高性能CMOS集成锁相环电路CD4046作为高倍频电路的核心。用CD4046与除法器构成的100倍频电路。VCO的输出经由除法器进行100分频后,再送至相位比较器II,并进而与Ui进行相位比较,最后使f′out=fin,二者的相位差恒定,从而实现锁相。由于f′out=fout/100=fin,可推得:fout=100fin。由此表明:尽管从局部看使用除法器完成的是分频,但就锁相环整体而言却是实现100倍频。其中的除法器是在EPM7128中实现的。
        CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器,必须外接电阻R1和电容C1作为充放电元件。由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成,故它的输出波形是对称方波。选择R1和C1的时候需要仔细考虑,因为R1与C1之积决定了CD4046所能输出脉冲的最高频率。
        另外,为了方便设备的使用及调试,在该系统中还设计了手动操作时工作台移动的高、中、低速选择功能。该功能实际上是利用波段开关的切换,分别选择电子手轮输出脉冲的4倍、40倍和400倍频来实现的,在此不再赘述。
4    结论
        本文设计了Mahr891E齿轮测量机新测控系统的电子手轮电路,利用锁相环技术及CPLD技术实现了电子手轮输出脉冲的可靠倍频及鉴相,并使其最高倍频数达到了400,即在手动操作时可使其直线轴移动速度达到5mm/s,满足了设计要求。目前Mahr891E齿轮测量机的测控系统改造已经完工并通过了验收。使用单位对新系统小巧的体积、完善的功能及友好的人机界面非常满意,对手动操作部分也给予了较高的评价。