正交編碼位置檢測系統(tǒng)研究

劉 庚，何 娜，芮萬智

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢 430033）

正交編碼位置檢測系統(tǒng)研究

劉 庚，何 娜，芮萬智

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢 430033）

電磁發(fā)射裝置對位置檢測系統(tǒng)有高可靠性和高分辨率等要求，正交編碼算法可以很好地滿足這些要求。本文設(shè)計了一套由互為冗余的2組正交編碼組合而成的位置檢測系統(tǒng)及其脈沖信號處理規(guī)則，研究了正常正交編碼信號的特征，分析了常見的異常脈沖信號特點并提出了異常脈沖的判斷條件。

位置檢測 正交編碼算法 脈沖信號 異常脈沖信號

0 引言

電磁發(fā)射裝置[1-3]可以利用直線電機產(chǎn)生的電磁力，按照提前設(shè)定的軌跡曲線，在有限的沖程和較短的時間內(nèi)將負載加速到設(shè)定速度。電磁發(fā)射系統(tǒng)可以視為一個伺服系統(tǒng)，其控制策略是帶位置反饋的PID閉環(huán)控制[4-6]，該系統(tǒng)對于發(fā)射過程中的動子位置、速度和加速度都有很高的要求。因此，電磁發(fā)射系統(tǒng)需要一套可靠性高，冗余性好，分辨率高的位置檢測系統(tǒng)。

本文設(shè)計分析了一種基于正交編碼的位置檢測系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)由互為冗余的2組正交編碼組合而成，并通過特殊的控制策略提高了系統(tǒng)可靠性、冗余性和檢測分辨率。

1 基于編碼器的位置檢測系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)由編碼器、傳感器模塊、控制模塊以及計算中心四部分組成，如圖1所示。動子上帶有由非金屬的基體和金屬編碼齒組成的編碼器。當編碼器隨著動子運動時，編碼齒會周期性地進入和離開傳感器的感應(yīng)范圍，此時傳感器連續(xù)輸出脈沖信號，調(diào)整對應(yīng)傳感器的間距可以使兩路脈沖信號正交。直線電機定子長度通常遠大于動子的長度[8]，需要沿定子的長度方向布置多個等距的傳感器模塊，模塊間距須小于編碼器長度，以保證了脈沖信號的連續(xù)性。不同傳感器模塊的脈沖信號由控制模塊通過“或”運算進行整合，這樣在動子運動的全過程控制模塊都能夠輸出連續(xù)的正交信號。最后，控制模塊將整合后的正交信號傳遞給計算中心，計算中心使用正交編碼算法得到動子的位置。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 正交編碼位置檢測系統(tǒng)的設(shè)計

本文使用正交編碼算法分別對兩組脈沖信號進行處理，每組脈沖信號由每個傳感器模塊內(nèi)平行布置的兩個傳感器輸出的兩路正交信號組成，如圖2所示。正交編碼算法可以檢測動子運動的位置信息和方向信息，并且可以提高系統(tǒng)的位置檢測精度。其位置信息計算方式如圖3所示，正交編碼狀態(tài)機沿著正方向01→00→10→11→01變化時，每變化一次，脈沖計數(shù)加1，而當狀態(tài)機沿著反方向01→11→10→00→01變化一次則脈沖計數(shù)減1。如果狀態(tài)機出現(xiàn)除上述變化以外的跳變時，脈沖計數(shù)不變。調(diào)整傳感器位置，使四路脈沖信號滿足1、3兩路相信號互正交，2、4兩路信號相互正交，四路信號相位差分別為45°。本文采用2對互為冗余的正交編碼信號，不僅可以提高檢測的精度，且在某一路信號發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)入單精度模式繼續(xù)進行電磁發(fā)射。

圖2 正交編碼脈沖

圖3 正交編碼狀態(tài)機

3 正常正交編碼信號特征

當位置檢測系統(tǒng)正常工作時，輸出4路依次相差45度的位置脈沖。在位置數(shù)據(jù)采集器內(nèi)對其進行處理時，由上文的正交編碼脈沖的計數(shù)方法分別對1、3兩路信號和2、4兩路信號兩對正交編碼脈沖分別進行脈沖計數(shù)，由于每次發(fā)射動子起始位置不完全一致，導(dǎo)致具體脈沖計數(shù)特點的不同，本文假設(shè)動子停止運動時都處于低電平狀態(tài)，將起始位置分為八種情況進行分析，如圖4所示。在位置檢測系統(tǒng)正常工作時，2組正交編碼的計數(shù)時刻不同，但在任意時刻，兩組正交編碼的計數(shù)值之差一定小于等于1，如表1所示。動子停止運動位置的不同也會影響正交編碼計數(shù)，但其計算結(jié)果同樣滿足以上結(jié)論。

圖 4 八種動子起始位置

表1 正交編碼計數(shù)特點

正交編碼計數(shù)特征可以用于判斷位置檢測系統(tǒng)是否出現(xiàn)錯誤，而要通過所采集到的位置脈沖來判斷位置檢測系統(tǒng)的具體工作狀態(tài)則需要定義其他判斷標準：占空比、相位差和正交度，其中正交度是評價位置信號是否正常的最終標準。

圖.5正交編碼脈沖特征

如圖5所示，1通道信號的占空比D1定義為：

1、3兩路信號的相位差θΔ定義為：

1、3兩路信號的下降沿正交度Qa和上升沿正交度Qb定義為：

在正交編碼位置檢測系統(tǒng)設(shè)計的時候，最理想的信號特性為：D=50%，θΔ=90°，Qa=Qb=90°。在實際電磁發(fā)射過程中，只要當Qa和Qb滿足0°＜Qa＜180°且0°＜Qb＜180°，此時3通道信號的跳變沿分別位于1通道信號相鄰兩個跳變沿之間，此時兩路信號具有正交性，可以對其進行正交計算，位置檢測系統(tǒng)正常工作。

4 常見異常脈沖及其判斷條件

受到外界環(huán)境的各種因素干擾，位置檢測系統(tǒng)的正交脈沖不可能完全是理想脈沖，最常出現(xiàn)的兩種異常脈沖為：窄干擾脈沖和正交度異常。

如圖6所示，窄干擾脈沖是異常出現(xiàn)的寬度很小的干擾脈沖信號。由于正交編碼的計算方法并非簡單的累加脈沖，所以窄干擾脈沖不一定會影響其最終的計數(shù)。根據(jù)圖3所示的正交編碼狀態(tài)機，窄干擾脈沖1出現(xiàn)時，造成了正交脈沖改變10→00→01→11，正交編碼錯誤地減小三個計數(shù)；窄干擾脈沖2出現(xiàn)時，引起了正交脈沖改變01→11→01，正交編碼計數(shù)很快被修正。通過分析可知，當某通道（如1通道）出現(xiàn)窄干擾脈沖時，如果與其對應(yīng)正交的通道（即3通道）的電平保持不變，這個窄干擾脈沖就不會影響最終的計數(shù)，而這種情況下必然在任意時刻有此時位置檢測系統(tǒng)可以正常工作，否則正交編碼會發(fā)生錯誤。

圖6 窄干擾脈沖時的位置脈沖

圖7 正交度異常信號，Qa＜0

正交編碼位置檢測系統(tǒng)要求相對應(yīng)的兩路信號正交度處于區(qū)間(0,180)內(nèi)，如果正交度超出本區(qū)間則會出現(xiàn)位置信號報錯，以下降沿正交度Qa為例，主要有以下兩種情況。一種情況如圖7所示，電磁發(fā)射系統(tǒng)處于正方向移動而aΔ為負，此時根據(jù)公式（3），下降沿正交度Qa為負，位置檢測系統(tǒng)報錯；另一種情況如圖8所示，電磁發(fā)射系統(tǒng)處于正方向移動而Δa＞a1，此時根據(jù)公式（3），下降沿正交度Qa＞180°，位置檢測系統(tǒng)報錯。

圖8 正交度異常信號Qa＞180°

5 結(jié)束語

本文基于電磁發(fā)射裝置對位置檢測系統(tǒng)的要求，設(shè)計了一種正交編碼算法規(guī)則，分析了其正常脈沖與常見異常脈沖的特點，提出了異常脈沖的判斷標準，為下一步優(yōu)化算法，處理異常脈沖打下理論基礎(chǔ)。

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Position Measurement Based on Quadrature Encoder Principle

Liu Geng, He Na, Rui Wanzhi

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Electromagnetic aircraft launch system requires a position measurement system with high reliability and resolution, and quadrature encoder principle can meet these requirements. In this paper, one kind of pulse signal processing rule based on two pairs of quadrature encoder is designed. Characteristics of normal and error quadrature encoder signals are studied. Criteria to judge whether error signals exist are proposed.

position measurement; quadrature encoder principle; characteristics of signals; error quadrature encoder signals

TM93

A

1003-4862（2016）12-0025-03

2016-07-19

劉庚(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。