針對(duì)E6B2—CWZ6C型旋轉(zhuǎn)編碼器跑數(shù)的改進(jìn)

張紅海

摘 要：自動(dòng)調(diào)諧在發(fā)射機(jī)自動(dòng)化中發(fā)揮著重要的作用，能否精準(zhǔn)調(diào)諧關(guān)系著發(fā)射機(jī)能否運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)，文章主要針對(duì)150KW短波發(fā)射機(jī)步進(jìn)電機(jī)中旋轉(zhuǎn)編碼器的不穩(wěn)定問題，提出合理解決方案，確保自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)編碼器；跑數(shù)；改進(jìn)；抗干擾

1 概述

在150KW短波發(fā)射機(jī)自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)中，定位精度常常是最關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一。此系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的位置采用E6B2-CWZ6C型旋轉(zhuǎn)編碼器（以下簡(jiǎn)稱光電碼盤）進(jìn)行定位。但是由于系統(tǒng)的不完善性，加上發(fā)射機(jī)的高頻干擾，電機(jī)系統(tǒng)還存在著一些問題，其中最典型的就是碼盤跑數(shù)現(xiàn)象。

2 旋轉(zhuǎn)編碼器

步進(jìn)電機(jī)的位置采用旋轉(zhuǎn)編碼器（光電碼盤）進(jìn)行定位，光電碼盤分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠的四倍頻電路，是電機(jī)伺服電路的一個(gè)重要組成部分。光電碼盤是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電碼盤是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號(hào)。

光電碼盤有A、B、Z三相輸出，A相和B相輸出占空比為50%的方波。A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，A相和B相輸出固定數(shù)目的脈沖。當(dāng)碼盤正向旋轉(zhuǎn)時(shí)（CW），A相比B相超前四分之一個(gè)周期；當(dāng)碼盤反向旋轉(zhuǎn)時(shí)（CCW），B相比A相超前四分之一個(gè)周期。計(jì)數(shù)過程由可編程計(jì)數(shù)器或微處理器內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，當(dāng)需控制的電機(jī)數(shù)量較多時(shí)，采用FPGA實(shí)現(xiàn)會(huì)更為簡(jiǎn)單。而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。

通過對(duì)該波形的處理得到碼盤的方向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖，送入實(shí)際位置計(jì)數(shù)器。由于FPGA不具備存儲(chǔ)功能，掉電之后實(shí)際位置會(huì)丟失，需要在下一次上電時(shí)將實(shí)際位置重新寫入實(shí)際位置計(jì)數(shù)器，所以此計(jì)數(shù)器也有置數(shù)功能。將可調(diào)元件的實(shí)際位置采用光電碼盤的計(jì)數(shù)測(cè)量與要求的預(yù)置值進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算比較，其誤差在數(shù)字上等于零。根據(jù)比較誤差來控制執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)：當(dāng)預(yù)置值大于實(shí)際值，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)預(yù)置值小于實(shí)際值，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)預(yù)置值等于實(shí)際值，控制電機(jī)不轉(zhuǎn)。

3 出現(xiàn)的問題及其原因

可是在長(zhǎng)時(shí)間的倒頻之后，由于電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的帶電和電機(jī)制造工藝的不一致性以及負(fù)載大小的差異，導(dǎo)致各別電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中出現(xiàn)跑數(shù)和顫抖現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為：（1）在倒頻進(jìn)行時(shí)，某一路電機(jī)碼盤計(jì)數(shù)來回震蕩，電機(jī)在某一位置跟著顫動(dòng)。（2）調(diào)諧結(jié)束后，個(gè)別電機(jī)位置會(huì)出現(xiàn)不停增大或減小至零的現(xiàn)象，電機(jī)實(shí)際位置沒變。（3）長(zhǎng)時(shí)間倒頻后，個(gè)別電機(jī)位置出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)狀態(tài)變差。

對(duì)于這幾種情況，經(jīng)過對(duì)故障的仔細(xì)觀察和分析，得出如下結(jié)論：第一和第二現(xiàn)象主要跟步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)采用的是齒輪咬合轉(zhuǎn)動(dòng)的方式。在出現(xiàn)跑數(shù)故障時(shí)，由于發(fā)射機(jī)狀態(tài)沒有發(fā)生變化，因此，電機(jī)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)。但是從碼盤卻傳來了計(jì)數(shù)脈沖。后發(fā)現(xiàn)在調(diào)諧到位后，電機(jī)的齒輪沒有咬合好，會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。另外還有電機(jī)齒輪與碼盤齒輪之間咬合不好，均會(huì)出現(xiàn)這種情況。

步進(jìn)電機(jī)如果工作電流不夠或者轉(zhuǎn)動(dòng)力矩過小時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)電機(jī)齒輪咬合不到位的現(xiàn)象。而光電碼盤是與電機(jī)通過齒輪相互聯(lián)系的，電機(jī)顫動(dòng)，勢(shì)必會(huì)引起碼盤的變化。這樣的振動(dòng)會(huì)損壞光電編碼器的內(nèi)部功能。造成誤發(fā)脈沖，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或誤動(dòng)作，導(dǎo)致事故發(fā)生。當(dāng)碼盤的震動(dòng)幅度超過四分之一周期的長(zhǎng)度時(shí)，就會(huì)觸發(fā)FPGA內(nèi)計(jì)數(shù)器，導(dǎo)致誤計(jì)數(shù)開始。

第三種現(xiàn)象經(jīng)發(fā)現(xiàn)主要是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，碼盤傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有干擾出現(xiàn)，導(dǎo)致碼盤在轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，輸出脈沖大于1000，現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾源，對(duì)光電碼盤產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致光電碼盤輸出波形發(fā)生畸變失真，使系統(tǒng)誤動(dòng)或位置跑偏，而導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。

4 改進(jìn)措施

4.1 改變光電碼盤的安裝方式

光電碼盤不在安裝在電動(dòng)機(jī)外殼上，而是在電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上制作一固定支架來獨(dú)立安裝光電碼盤，光電碼盤軸與電動(dòng)機(jī)軸中心必須處于同一水平高度，兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接，以減輕電動(dòng)機(jī)沖擊負(fù)載對(duì)光電碼盤的機(jī)械沖擊，減小光電碼盤的顫動(dòng)。

4.2 提高光碼盤的安裝工藝

根據(jù)輸出波形來看，Z相的高電平起點(diǎn)還重要，如果安裝時(shí)Z相的高電平起點(diǎn)不對(duì)，計(jì)數(shù)就會(huì)出現(xiàn)誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)計(jì)數(shù)的跳動(dòng)，所以安裝時(shí)要注意Z相的起始位置，D切口要與Z相原點(diǎn)位置保持一致，最好不要超過30°的偏差。

4.3 調(diào)諧完成后封鎖電機(jī)，使電機(jī)斷電

步進(jìn)電機(jī)在調(diào)諧完成后，并沒有斷調(diào)電源，而是通過驅(qū)動(dòng)電路的脫機(jī)電平（free）來控制，不讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電機(jī)帶電，就有可能在電機(jī)齒輪沒有咬合到位的情況下發(fā)生抖動(dòng)。如果將電機(jī)的電源斷掉，那么電機(jī)也就失去了外力，因此也就不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。利用FPGA的一個(gè)輸出引腳來控制繼電器的通斷，在利用繼電器來控制電機(jī)電源的通斷。當(dāng)調(diào)諧沒有完成時(shí)，F(xiàn)PGA引腳輸出低電平，繼電器線包帶電，接點(diǎn)吸合，電機(jī)得電；當(dāng)調(diào)諧完成后，F(xiàn)PGA引腳輸出高電平，繼電器線包失電，接點(diǎn)斷開，電機(jī)失電；重新倒頻時(shí)，F(xiàn)PGA引腳恢復(fù)原態(tài)，電機(jī)得電。

這樣電機(jī)在調(diào)諧完成后就會(huì)失去外電，從而無法抖動(dòng)，由于碼盤是跟隨電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，屬于從動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此也就無法轉(zhuǎn)動(dòng)，也就不會(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。

4.4 調(diào)諧完成后，封鎖碼盤電源

由于碼盤跟隨電機(jī)可能發(fā)生顫動(dòng)而向FPGA主板誤傳送AB脈沖，因此我們還可以通過封鎖碼盤電源來解決這一問題。因?yàn)橐坏┐a盤失電，其ABZ脈沖就無法產(chǎn)生，并且傳輸給FPGA主板，也無法產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)。

4.5 合理選擇光電檢測(cè)裝置輸出信號(hào)傳輸介質(zhì)

采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個(gè)重要的技術(shù)特性，一是對(duì)電纜受到的電磁干擾具有較強(qiáng)的防護(hù)能力，因?yàn)榭臻g電磁場(chǎng)在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)是互絞后兩線間距很小，兩線對(duì)干擾線路的距離基本相等，兩線對(duì)屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對(duì)抑制共模干擾效果更加明顯。

4.6 使用Z脈沖來進(jìn)行定時(shí)位置校正

增量式光電碼盤雖然精度較高，卻無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。而由于Z脈沖在光電碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)1圈時(shí)出現(xiàn)1次，而Z脈沖的位置是固定的，因此在光電碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中出現(xiàn)Z脈沖時(shí)將數(shù)字直接記為正千，這樣在一定程度上就減小了干擾。另外在電機(jī)全體復(fù)位后，不再將下限位作為校正的基準(zhǔn)，而是從下限位向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的第1個(gè)Z脈沖為基準(zhǔn)。這樣更加準(zhǔn)確，因?yàn)閆脈沖是固定的。

4.7 電機(jī)復(fù)位操作

為了減少長(zhǎng)期倒頻產(chǎn)生的誤差，電機(jī)復(fù)位是一個(gè)很好的措施，讓電器元件全部回到限位點(diǎn)，而Z脈沖也回到基準(zhǔn)點(diǎn)。我機(jī)房目前每周進(jìn)行兩次復(fù)位，基本保證調(diào)諧誤差最小。

5 結(jié)束語

經(jīng)過上述方法的改進(jìn)，我們有效地解決了碼盤跑數(shù)現(xiàn)象，同時(shí)減少了電磁干擾對(duì)定位系統(tǒng)的影響，步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確性優(yōu)勢(shì)得到了更好的體現(xiàn)，系統(tǒng)整體運(yùn)行更加穩(wěn)定，精度也大幅提高。這次改進(jìn)也為其他元器件的改進(jìn)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)思路。

參考文獻(xiàn)

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