基于單纖雙向技術的電機絕對位置檢測方法*

宿榮凱 ， 張 濤 ， 孫金根 ， 張 勝 ， 王方玉

（1.沈陽理工大學自動化與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.中國科學院沈陽自動化研究所中國科學院網絡化控制系統重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；3.中國科學院機器人與智能制造創新研究院，遼寧 沈陽 110016；4.中國移動通信集團遼寧有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110068）

0 引 言

隨著現代工業的發展，電驅動伺服單元的應用愈加廣泛。在工業的運動控制領域中，無論是旋轉運動，還是直線運動，均需要一定精度的位置檢測裝置反饋執行器實時位置信息。使用金屬線介質傳輸信息不僅在帶寬上受到限制，而且在大型設備中，遠距離傳輸線通常會對通信的信號完整性和電磁兼容工作帶來挑戰。在機器人等復雜設備中，功率線纜與信號線纜并行、交叉穿行于金屬腔體內部，不同的電機在同時工作時，會發生功率線對信號線干擾、信號線之間互擾，以致通信錯誤，伺服單元無法工作的情況[1]。

光纖傳輸具有頻帶寬、傳輸容量大、損耗小、傳輸距離遠、抗電磁干擾性好、保密性好等一系列明顯的優點。將光通信應用于工業現場設備及機器人伺服位置反饋可以解決帶寬限制以及信號干擾等問題，能夠提高控制實時性、增強反饋可靠性，在目前流行的總線式控制方案中尤為適用。

現有的光纖位置反饋方案多采用收、發各用一條光路，共需兩條光纖完成，這種方案可能會引起資源的嚴重浪費。同時由于光通信的收發器和光纖的成本較高，并且雙纖并排時線纜的彎折受到一定的限制，因此使用單纖完成信息的雙向傳輸成為了優選方案[2]。

本文基于單芯雙向技術，應用多圈絕對值編碼器，設計完成了一套高性能電機絕對位置檢測方案，并通過實驗證明了其有效性。

1 單纖雙向技術原理

目前應用較為廣泛的單芯雙向通信技術有：副載波（Subcarrier Detection，SCD）雙向技術、偏振式（Polarization Bidirectional Communication，PBC）雙向技術和波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）雙向技術等[3]。

其中，副載波雙向傳輸技術采用Y型耦合器將光域中來去兩個方向的信號連接在一起，并利用Y耦的方向性加以區分，如圖1所示。但由于存在“自發自收”的干擾，所以需要利用調頻技術和頻分（Frequency Division，FD）技術，使得光纖兩端傳輸頻率互不相同的光信號，將來去兩個傳輸方向的頻帶錯開，從而實現光信號的雙向傳輸。其優點是成本低，技術發展成熟且容易實現[4]。

圖1 副載波傳輸系統原理圖

偏振式單芯雙向通信利用光的偏振原理，在信號發送端通過光發送機發出的光信號經過起偏器后，通過光纖發往接收端，在信號接收端通過檢偏器讓平行于檢偏器偏振化方向的入射光信號通過，同時使同端的起偏器與入射偏振光信號的光振動方向相互垂直，克服信號的自發自收現象，從而實現光信號在單芯中的雙向傳輸，圖2為偏振式雙向傳輸原理圖。其優點是可以成倍增加通信容量，可以更加有效地利用帶寬資源。

圖2 偏振式雙向傳輸系統原理圖

波分復用技術利用一根光纖同時傳輸多個光載波，它們各有不同的波長，而每一光載波獨立傳輸一組信號，波分復用原理就是充分利用了光纖寬帶的傳輸特性，從而實現多種信息的傳輸，為防止端口的發送和接收光信號相互干擾，也需要利用調頻技術和頻分（FD）技術[5]，如圖3所示。實現波分復用技術主要技術為光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）技術，傳輸距離的長短會直接影響到放大器所產生噪聲的積累程度，因此需要將EDFA技術在實際應用中根據目標距離使其保持最佳的級聯方式，傳輸系統中波分復用器的使用能夠使光纖得到最大化的節約，同時大大增長了光纖的承載能力，使光纖更加有效的利用，在遠距離的傳輸過程中能夠節約光纖放大器的使用數量，減少成本[6]。相比于其他兩種傳輸方式，波分復用具有傳輸距離長、容量大等優點，WDM系統中的EDFA技術能將光的范圍擴大，使整個WDM系統能夠覆蓋1550nm的波長范圍，時至今日，WDM可以傳輸數百千米，大大減少了中繼設備，降低了傳輸成本；WDM中通路速率快，通路數量可達到32條以上，容量可比其他的通信技術大1倍左右[7]。

圖3 波分復用單芯雙向傳輸系統原理圖

在單芯雙向傳輸系統中，同一根光纖中同時傳輸兩路相反方向的光信號，能夠匹配雙工的信號傳輸工作方式，利用分光透鏡電路對往返的兩個光載波進行合成和分離的處理，實現光信號的雙向傳輸，這也是較傳統的信號傳輸技術的新的突破點，其光路示意可見圖4。

圖4 單纖雙向波分復用透鏡內光路

綜上比較，本文采用波分復用式單芯雙向技術，光波分模塊采用流行的往返波長為1 310 nm和1 550 nm的器件。

2 編碼器光電轉換電路與通信協議

編碼器通常分為增量式、絕對式及混合式光電編碼器三類。增量式編碼器的優點是裝置比較簡單、易于實現，編碼器平均壽命長、分辨率高，缺點是沒有記憶能力，一旦運行中出現突然斷電停機的情況，故障后不能恢復故障前所在位置[8]。絕對式編碼器結構是絕對碼盤配合機械齒輪，優點是能直接給出對應于每個轉角的數字信息，便于計算機處理，在故障停電時，或在雖然通電，但無數據讀出的情況下，軸位置能保留和記憶。缺點是結構復雜、成本高[9]。

本文采用混合式多圈絕對式光電編碼器，能夠進行轉軸旋轉次數的檢測與信息記憶，以及一轉內對絕對角度的檢測、信號修正、數據處理、信號傳輸，具有很強的靈活性[10]。其結構如圖5所示。

圖5 混合式多圈絕對式光電編碼器

如圖5所示，可以將混和式編碼器其看成是一個單圈絕對式光電編碼器和一個增量式磁性編碼器的組合。其中光電編碼器在單轉內實現高分辨率、高精度的絕對位置檢測，輸出信號為不歸零碼（Non-return to Zero，NRZ）形式信號。而磁性編碼器用來檢測多圈轉數，然后采用大規模集成電路和專用CPU將多圈數據、單圈數據及狀態信息組合，一同使用數據線傳出。編碼器外接+3.6 V備用電源，當系統在運行中突然掉電時，可以實現對軸位置和多圈轉數的保存。

為了使單纖雙向通信能夠應用于復合編碼器位置檢測裝置之中，最主要的問題是實現信號在光電之間的轉換，這是整個位置檢測方法的難點之一，設計結構如圖6所示。本系統采用MAX485芯片收發編碼器的差分電信號，差分驅動器將原始信號濾波、整形、電平轉換后發送到光纖驅動電路，光纖驅動電路驅動光電激光管發射光纖信號，其波長為f1，其中f1為1 310 nm或1 550 nm。當驅動電路接收波長為f2（f1=f2）的光信號時，該驅動電路中產生信號SD，利用該信號實現對485芯片的發送禁止控制，可以避免信號在傳輸過程中的自收自發現象。同時，從光纖接收的信號經差分接收器處理轉換后，通過485芯片發送給編碼器，完成通信過程。

圖6 光電轉換適配電路

文中所用的編碼器具有單圈內17位的分辨率，可達到的最小分度為0.002 7角度。多圈計數容量為16位，最多可計數65 535圈，可以滿足絕大多數的伺服工控系統的要求。除此之外編碼器還具有狀態檢測和故障報警功能，圖7為編碼器串行發送數據時的NRZ碼幀格式。該組數據由11組字段組成，其中包括單圈位置信息、多圈數據信息、編碼器的工作狀態信息以及CRC校驗碼[11]。

圖7 編碼器串行發送數據時的幀格式

圖7中所示為完整幀格式，實際使用中如果不是每個周期都需要多圈信息和狀態檢測信息的話，驅動器可改變命令字，編碼器可以返回部分幀數據。串行通訊波特率最高可達5 Mbit/s，可以在幾微秒至幾十微秒內完成一次通訊，完全可以滿足常見電伺服驅動器的要求。

單纖雙向技術檢測電機絕對位置的工作過程為：首先由電機驅動器向編碼器發送命令字，信號通過編碼器電光轉換、光纖的波分復用技術以及編碼器光電轉換發送到編碼器，編碼器跟據收得的命令字發送相應的軸位置和多圈數據信號，計算如式（1）、式（2），再通過光纖和收發模塊，將電機位置信息返回給驅動器。

由驅動器應用式（1），可以計算轉子機械角度θM，從而計算出電機轉子位置。

其中：Qcount為編碼器返回計數，Qbias為安裝偏移量，n為編碼器位數。

電機轉速的測量方法有M法和T法，在高速時使用M法，低速使用T法進行轉速計算，由式（2），進行M法計算電機轉速SM，進而對電機的運行的穩定性進行控制。

其中：Fs為速度采樣頻率。

3 實驗系統測試

為了驗證方案的可行性，搭建了電機實驗系統進行測試，測試平臺布置情況可見圖8。

圖8 實驗平臺布置情況

該實驗平臺主要由驅動器、光纖和收發模塊、編碼器、電機和示波器組成。其中示波器型號為TDS2024B，驅動器采用TMS320F28335PT作為主控芯片，AU5561N1作為編碼器通信芯片，二者之間使用外部存儲器接口進行連接，收發器型號為HFBR-1404/2406,其在25℃，Vcc=5.0Vdc條件下平均接收靈敏度-34.4 dBm，發送光功率為-15.2 dBm。應用主磁極矢量控制，PS21265為功率模塊，PWM頻率為12 kHz，驅動電機運行。電機型號為11STM04030H，功率為1.2 kW，3對極永磁同步電機。

實驗所用編碼器與驅動器之間傳輸速率為2.5 MHz和5 MHz，這取決于編碼器的特性，目前已知可以支持的編碼器與驅動器之間的傳輸速率已近百兆[12]，在整個傳輸過程中的損耗由光纖的損耗特性決定，有光纖傳輸總損耗（衰減）公式：

式中：P1(λ)為入射光功率；P2(λ)為射出光功率。光纖的衰減系數a1為：

在檢測光纖質量時候，光纖的衰減系數是一個重要的參數[13]。國家規定光纖全程衰減系數為：

標準光纖在1 310 nm、1 550 nm損耗系數分別為0.2 dB/km、0.35 nm/km。

本實驗所用1 550 nm波長的光接口類型HFBR- 1404/2406，按照式（4）、式（5），計算可傳輸距離為L=17 km，1 310 nm波長的最大傳輸距離L=10 km，由以上推導可知，光纖的距離為10 km甚至更遠。

但由于實驗室條件限制，在實驗過程中驅動器和編碼器采用2.5 MHz的頻率經10 m光纖來驗證雙向通信過程，實驗過程中使用可調節光纖衰減儀[14]來模擬不同的光纖長度。圖9為經光電轉換還原為電信號的實測通信波形。經長時間工作測試，從圖9中可以看出，通信波形良好，系統狀態良好，沒有檢測到誤碼情況的發生。

圖9 通信波形

圖10為電機實際運行測得的波型，圖中電機轉子角度為電角度，歸一化后單位為“1”；圖10（b）為三相定子電流。由波型可見電機運行平穩，轉子位置測量連續。

圖10 電機角度數值與相電流波形

4 結 語

本文首先深入研究了幾種主要的單纖雙向通信技術，介紹了復合式多圈絕對值編碼器，詳細介紹了一種應用波分復用式單纖雙向技術進行電機編碼器位置反饋的方案，并通過搭設實驗平臺驗證了應用WDM技術單纖雙向通信的可行性。

實驗證明，應用本文的方案，可以明顯提高編碼器串行通信的實時性、可靠性、傳輸速率以及傳輸距離，減少光纖數量，節約布線成本，提高了通信質量。其優良的抗干擾特性尤其適用于機器人等復雜電磁環境的場合。