增量式编码器的故障检测方法.pdf

增量式编码器的故障检测方法，属于编码器的故障检测领域，解决了现有技术不能对增量式编码器的非断线故障进行检测的问题。它将增量式编码器相位相差90°的电脉冲信号A和B相异或，得到同步时钟信号Clock，根据Clock的每相邻周期的上升沿时刻电脉冲信号A和B的状态，定义两个上升沿触发的JK触发器FF2、FF1的电路输出状态Q2Q1，通过Q2Q1的输出状态对增量式编码器的故障进行判断；它还包括对增量式编码器的Z脉冲信号的检测：采用Z脉冲信号对级联计数器预置操作，对增量式编码器每旋转一周同步时钟信号Clock输出的脉冲数进行计数，由级联计数器是否溢出判断Z脉冲信号故障。本发明用于增量式编码器的故障检测。

1.  一种增量式编码器的故障检测方法，其特征在于：
对增量式编码器的电脉冲信号A和B的检测：将增量式编码器两个码道正常工作状态下输出的相位相差90°的电脉冲信号A和B相异或，得到同步时钟信号Clock，所述同步时钟信号Clock的每相邻周期的上升沿时刻，电脉冲信号A和B的状态在A＝1、B＝0和A＝0、B＝1之间循环；
定义两个上升沿触发的JK触发器FF2、FF1的电路输出状态Q2Q1为：
S0＝00，正常态序；
S1＝01，正常态序；
S2＝10，故障态序；
S3＝11，无关态序；
将同步时钟信号Clock的每相邻两个周期中，前一个周期的上升沿时刻，电脉冲信号A和B相反的状态通过Q2Q1的S0＝00的电路状态输出；后一个周期的上升沿时刻，电脉冲信号A和B的相反的状态通过Q2Q1的S1＝01的电路状态输出，并且后一个周期的上升沿时刻，电脉冲信号A和B的状态各自为前一个周期上升沿时刻A和B的状态的反变量；
当Q2Q1的电路输出状态在S0＝00和S1＝01之间循环时，判定增量式编码器的电脉冲信号A、B无故障；当Q2Q1的电路输出状态不在S0＝00和S1＝01之间循环时，通过Q2Q1的S2＝10的电路状态输出，判定增量式编码器的A、B信号出现故障。

2.  根据权利要求1所述的增量式编码器的故障检测方法，其特征在于：电脉冲信号A超前于B的相位90°，Q2Q1的S0＝00的电路输出状态对应于电脉冲信号A＝0、B＝1的状态，Q2Q1的S1＝01的电路输出状态对应于电脉冲信号A＝1、B＝0的状态。

3.  根据权利要求1所述的增量式编码器的故障检测方法，其特征在于：电脉冲信号A滞后于B的相位90°，Q2Q1的S0＝00的电路输出状态对应于电脉冲信号A＝1、B＝0的状态，Q2Q1的S1＝01的电路输出状态对应于电脉冲信号A＝0、B＝1的状态。

4.  一种增量式编码器的故障检测方法，其特征在于：对增量式编码器的Z脉冲信号的检测：
将增量式编码器两个码道正常工作状态下输出的相位相差90°的电脉冲信号A和B相异或，得到同步时钟信号Clock；采用Z脉冲信号对级联计数器进行预置操作，预置计数值为级联计数器的最大计数值与增量式编码器每旋转一周同步时钟信号Clock输出的脉冲数的差，在增量式编码器的旋转过程中，采用级联计数器对同步时钟信号Clock进行计数，并且增量式编码器每旋转一周，Z脉冲信号对级联计数器进行一次预置操作，当级联计数器计数无溢出，判定Z脉冲信号无故障；当级联计数器计数溢出，判定增量式编码器的Z脉冲信号缺失，出现故障。

增量式编码器的故障检测方法
技术领域
本发明涉及一种增量式编码器的故障检测方法，属于编码器的故障检测领域。
背景技术
目前常用的编码器有增量式编码器和绝对式编码器，增量式编码器由于成本低而比绝对式编码器的应用范围广得多。增量式编码器的光电码盘由一块玻璃圆盘上镀上一层不透光的金属薄膜，然后在金属薄膜上面制作圆周等距的透光与不透光相间的条纹制成，当光电码盘旋转时，透光的条纹有光线透过，不透光的条纹无光线透过，由此产生的明暗相间的信号由光敏元件接收，再转换成电脉冲信号输出。增量式编码器的码盘通常刻两个码道，每个码道对应一个发光元件和一个光敏接收元件，两个码道具有相同数目的等间隔光栅条纹线，在光电码盘正常工作时，可输出相位相差90度的A、B电脉冲信号，同时编码器每旋转一周会提供一个Z脉冲信号，如图1所示。
增量式编码器用于电机的转速测量时，将其与电机同轴连接，在电机旋转的一个固定时间段之内，通过查询编码器输出的A、B电脉冲信号的个数，可计算得到电机的转速。但当编码器发生故障时，如电脉冲信号A或B丢失，则会造成测速不准，这极有可能使电机发生“飞车”现象。由此对编码器的工作状态进行监测非常必要，以在故障发生时，及时调整控制器的工作状态，确保设备安全运行。现有技术中对增量式编码器进行的故障检测主要是针对断线检测，如图2所示。当光电码盘输出的信号A、B、Z无断线时，由于其信号为TTL电平，无法导通稳压二极管D1，三极管Q1截止；当A、B、Z出现断线时，稳压二极管在12V电源作用下导通，三极管Q1导通；以此来判断编码器是否出现断线故障。
由于电机系统的工作环境恶劣，增量式编码器还经常会出现下列原因引起的非断线故障：
一、光电码盘的码道被化学腐蚀或被污物覆盖，导致在连线正常时，编码器所输出的A、B电脉冲信号部分缺失；
二、当光电码盘轴与电机轴安装出现严重偏心误差时，造成的A、B电脉冲信号缺失。
这两种原因造成的增量式编码器故障，常常难以被使用者发现，它会使对电机速度的检测出现误差，从而降低整个系统的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种增量式编码器的故障检测方法，它解决了现有技术不能对增量式编码器的非断线故障进行检测的问题。
增量式编码器的故障检测方法：
对增量式编码器的电脉冲信号A和B的检测：将增量式编码器两个码道正常工作状态下输出的相位相差90°的电脉冲信号A和B相异或，得到同步时钟信号Clock，所述同步时钟信号Clock的每相邻周期的上升沿时刻，电脉冲信号A和B的状态在A＝1、B＝0和A＝0、B＝1之间循环；
定义两个上升沿触发的JK触发器FF2、FF1的电路输出状态Q2Q1为：
S₀＝00，正常态序；
S₁＝01，正常态序；
S₂＝10，故障态序；
S₃＝11，无关态序；
将同步时钟信号Clock的每相邻两个周期中，前一个周期的上升沿时刻，电脉冲信号A和B相反的状态通过Q2Q1的S₀＝00的电路状态输出；后一个周期的上升沿时刻，电脉冲信号A和B的相反的状态通过Q2Q1的S₁＝01的电路状态输出，并且后一个周期的上升沿时刻，电脉冲信号A和B的状态各自为前一个周期上升沿时刻A和B的状态的反变量；
当Q2Q1的电路输出状态在S₀＝00和S₁＝01之间循环时，判定增量式编码器的电脉冲信号A、B无故障；当Q2Q1的电路输出状态不在S₀＝00和S₁＝01之间循环时，通过Q2Q1的S₂＝10的电路状态输出，判定增量式编码器的A、B信号出现故障。
本发明还提供另一种增量式编码器的故障检测方法，是对增量式编码器的Z脉冲信号的检测：将增量式编码器两个码道正常工作状态下输出的相位相差90°的电脉冲信号A和B相异或，得到同步时钟信号Clock；采用Z脉冲信号对级联计数器进行预置操作，预置计数值为级联计数器的最大计数值与增量式编码器每旋转一周同步时钟信号Clock输出的脉冲数的差，在增量式编码器的旋转过程中，采用级联计数器对同步时钟信号Clock进行计数，并且增量式编码器每旋转一周，Z脉冲信号对级联计数器进行一次预置操作，当级联计数器计数无溢出，判定Z脉冲信号无故障；当级联计数器计数溢出，判定增量式编码器的Z脉冲信号缺失，出现故障。
本发明的优点是：
本发明方法通过对增量式编码器的电脉冲信号A、B和Z脉冲信号的缺失的检测，来实现对增量式编码器的断线或非断线故障的判断，对增量式编码器与控制电路之间出现的某一相的断线故障，或者由于增量式编码器的长期使用造成的轴偏心、码道腐蚀引起的脉冲信号的缺失引起的故障，能够准确的进行检测，并且实现电路简单，特别适合用CPLD或FPGA等可编程逻辑器件实现，是现有技术中对断线故障进行检测的有益补充。
附图说明
图1为增量式编码器输出的A、B、Z脉冲信号图；图2为现有增量式编码器的断线故障检测电路图；图3为增量式编码器正常工作状态下电脉冲信号A和B与同步时钟信号Clock的波形图，图中第四条曲线的00段对应于Q2Q1的电路输出状态S₀，01段对应于Q2Q1的电路输出状态S₁；图4为本发明方法的电路输出状态转换及其转换条件图；图5为实施方式二所述的本发明检测方法的实现电路图；图6为实施方式二和三所述的本发明检测方法同时实现的电路图；图7为增量式编码器的电脉冲信号A和B正常时的仿真实验结果图；图8为增量式编码器的电脉冲信号A正常，B固定为高电平输出时的仿真实验结果图；图9为增量式编码器的电脉冲信号A正常，B固定为低电平输出时的仿真实验结果图；图10为增量式编码器的电脉冲信号A正常，B部分缺失输出时的仿真实验结果图；图11为实施方式四所述的本发明检测方法的实现电路图；图12为增量式编码器的Z脉冲信号正常输出时的仿真实验图；图13为增量式编码器的Z脉冲信号丢失时的仿真实验图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为对增量式编码器的电脉冲信号A和B的检测：将增量式编码器两个码道正常工作状态下输出的相位相差90°的电脉冲信号A和B相异或，得到同步时钟信号Clock，所述同步时钟信号Clock的每相邻周期的上升沿时刻，电脉冲信号A和B的状态在A＝1、B＝0和A＝0、B＝1之间循环；
定义两个上升沿触发的JK触发器FF2、FF1的电路输出状态Q2Q1为：
S₀＝00，正常态序；
S₁＝01，正常态序；
S₂＝10，故障态序；
S₃＝11，无关态序；
将同步时钟信号Clock的每相邻两个周期中，前一个周期的上升沿时刻，电脉冲信号A和B相反的状态通过Q2Q1的S₀＝00的电路状态输出；后一个周期的上升沿时刻，电脉冲信号A和B的相反的状态通过Q2Q1的S₁＝01的电路状态输出，并且后一个周期的上升沿时刻，电脉冲信号A和B的状态各自为前一个周期上升沿时刻A和B的状态的反变量；
当Q2Q1的电路输出状态在S₀＝00和S₁＝01之间循环时，判定增量式编码器的电脉冲信号A、B无故障；当Q2Q1的电路输出状态不在S₀＝00和S₁＝01之间循环时，通过Q2Q1的S₂＝10的电路状态输出，判定增量式编码器的A、B信号出现故障。
本发明方法的原理：
正常编码器的电脉冲信号A、B的输出相位相差90度，将A和B相异或，得到同步时钟信号Clock，图3所示，第一个同步时钟信号Clock的上升沿过后，A＝1，B＝0；第二个同步时钟信号Clock的上升沿过后，A＝0，B＝1，依此类推，在后续的同步时钟信号Clock的上升沿过后，A、B的状态在A＝1，B＝0和A＝0，B＝1之间循环，由此特征可以对增量式编码器的电脉冲信号A、B的缺失进行判断，如果每个同步时钟信号Clock的上升沿之后A和B均取反，则电路无故障，反之则电路出现了故障。
具体实施方式二：下面结合图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于电脉冲信号A超前于B的相位90°，Q2Q1的S₀＝00的电路输出状态对应于电脉冲信号A＝0、B＝1的状态，Q2Q1的S₁＝01的电路输出状态对应于电脉冲信号A＝1、B＝0的状态。
对实现本发明检测方法的故障检测电路的设计过程如下，
首先采用两个上升沿触发的JK触发器FF2和FF1，其电路输出状态Q2Q1共有四种状态00，01，10和11。
定义电路状态：
S0＝00，为正常态序；
S1＝01，为正常态序；
S2＝10，为故障态序；
S3＝11，为无关态序，电路不会跳到此状态。
定义电路输出：Fault＝0，增量式编码器的电脉冲信号A和B为无故障输出；Fault＝1，增量式编码器的电脉冲信号A和B为有故障输出。
然后由上述分析过程画出图4，再根据图4，得到Q₂ⁿ⁺¹Q₁ⁿ⁺¹的次态卡诺图，如表1所示，表1中的XX/X，表示该项的具体数值与电路的功能无关。
表1    Q₂ⁿ⁺¹Q₁ⁿ⁺¹/Fault

最后根据以上分析过程设计实现本发明方法的电路图，如图5所示。
具体实施方式三：下面结合图6图10说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于电脉冲信号A滞后于B的相位90°，Q2Q1的S₀＝00的电路输出状态对应于电脉冲信号A＝1、B＝0的状态，Q2Q1的S₁＝01的电路输出状态对应于电脉冲信号A＝0、B＝1的状态。
本实施方式的实现电路在设计原理上重复实施方式二的设计过程即可得，将实施方式二与三的检测方法同时实现的整个故障检测电路图如图6所示。通过编码器产生的电脉冲信号A，B相异或，得到故障检测电路所需的时钟信号Clock的脉冲输出图，利用4只上升沿触发的JK触发器实现状态机电路，该电路以电脉冲信号A，B信号作为输入信号，以故障信号Fault作为输出信号，来检测出A超前于B或B超前于A时的编码器故障。当A，B脉冲信号中出现脉冲缺失时，即编码器出现故障时，Fault信号为1，否则为0。
图7图10为电脉冲信号A和B的正常或某相故障情况的仿真实验结果图，图7表示电脉冲信号A和B均为正常输出时，Fault信号持续为低电平，表示增量式编码器无故障；图8表示电脉冲信号A正常，B出现故障(无脉冲，固定为高电平)，Fault信号表示在检测出增量式编码器的故障后变为高电平并持续下去，表示增量式编码器出现了故障；图9表示电脉冲信号A正常，B出现故障(无脉冲，固定为低电平)，Fault信号表示在检测出增量式编码器的故障后变为高电平并持续下去，表示增量式编码器出现了故障；图10表示电脉冲信号A正常，B出现故障(应有的第4个高电平脉冲缺失)，Fault信号表示在检测出增量式编码器的故障后变为高电平并持续下去，表示增量式编码器出现了故障。
通过仿真实验结果证实，本发明方法可以快速检测出增量式编码器的电脉冲信号A、B的缺失故障(包括断线故障)，故障状态通过电路的Fault信号由原低电平变为高电平输出，为上位机提供故障信息。
具体实施方式四：下面结合图6、图11-图13说明本实施方式，本实施方式是对增量式编码器的Z脉冲信号的检测：对增量式编码器的Z脉冲信号的检测方法为：
将增量式编码器两个码道正常工作状态下输出的相位相差90°的电脉冲信号A和B相异或，得到同步时钟信号Clock；采用Z脉冲信号对级联计数器进行预置操作，预置计数值为级联计数器的最大计数值与增量式编码器每旋转一周同步时钟信号Clock输出的脉冲数的差，在增量式编码器的旋转过程中，采用级联计数器对同步时钟信号Clock进行计数，并且增量式编码器每旋转一周，Z脉冲信号对级联计数器进行一次预置操作，当级联计数器计数无溢出，判定Z脉冲信号无故障；当级联计数器计数溢出，判定增量式编码器的Z脉冲信号缺失，出现故障。
本实施方式可与实施方式一、二或三联合使用，实现对增量式编码器的A信号、B信号和Z信号的同时检测。
针对Z脉冲信号故障，如断线或因码道腐蚀或污物覆盖引起的信号缺失，可根据本实施方式所述的方法设计电路另行检测。不同增量式编码器输出的电脉冲信号A或B的脉冲数不同，本设计以100脉冲/转为例，说明Z脉冲信号的故障检测方法。当电脉冲信号A或B的脉冲数为100脉冲/转时，同步时钟信号Clock的脉冲数为200脉冲/转。设计Z脉冲信号的故障检测电路如图11所示，该电路应用了3个16进制计数器74163进行级联，对计数器的预置数为111100111000，为十进制的3896，以图6中同步时钟信号Clock作为被计数脉冲，以Z脉冲信号的非信号作为74163的预置脉冲，每个同步时钟信号Clock的上升沿使计数器加计数，当Z脉冲信号正常时，增量式编码器每旋转一周，Z脉冲使计数器预置为确定好的预置数，计数器不会发生溢出，即Faultz信号一直保持为低电平，如图12所示；当Z脉冲信号丢失时，不发生预置操作，此时计数器会发生溢出，Faultz信号出现一个高电平脉冲，如图13所示，这个高电平脉冲作为Z脉冲信号故障指示发给MCU等处理器，等候处理。级联计数器的预置数需根据增量式编码器输出脉冲的不同而做不同的设置。
图12中，Z脉冲信号正常输出，故Faultz信号持续为低电平，表示增量式编码器无故障；图13中，Z脉冲信号缺失，Faultz信号在Z脉冲信号缺失时刻后出现一高电平脉冲，表示增量式编码器有故障，图中X指示的位置表示Z脉冲信号的丢失处。