傳統(tǒng)光電編碼器防震動(dòng)抗干擾電路的優(yōu)化

祝榮財(cái)

浙江華東機(jī)電工程有限公司，浙江杭州，311228

0 引言

傳統(tǒng)光電編碼器的特點(diǎn)是重量輕、體積小、精度高，其工作原理是把輸出軸上的機(jī)械位移變換成數(shù)字或模擬信號(hào)的一種光電變換技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，光電子編碼技術(shù)已被越來(lái)越多地投入使用[1]。傳統(tǒng)光電編碼器在各種復(fù)雜的環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用，并且在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中已取得了較好的結(jié)果。但是，在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)它在震動(dòng)干擾環(huán)境下存在一些誤差。本文對(duì)光電編碼器計(jì)數(shù)誤差的成因進(jìn)行了分析，并針對(duì)光電編碼器常規(guī)抗干擾電路的不足，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 傳統(tǒng)光電編碼器工作原理

傳統(tǒng)光電編碼器通過(guò)光、機(jī)、電一體化原理，來(lái)完成由信號(hào)變換的測(cè)量。光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行脈沖或數(shù)字量檢測(cè)的裝置，通過(guò)輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，形成機(jī)械幾何位移量，從而轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，傳統(tǒng)光電編碼器當(dāng)前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人的裝置和設(shè)備中。在醫(yī)藥、工業(yè)、商業(yè)、交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，使社會(huì)的各行各業(yè)的工業(yè)設(shè)備水平得到了極大的提升[2]。在傳統(tǒng)光電子編碼器的數(shù)據(jù)采集與處理中，將tim3的ch1、ch2連接到編碼器A、B，并采用正交法進(jìn)行編碼。通過(guò)這種方式可以消除計(jì)時(shí)器的錯(cuò)誤，并實(shí)現(xiàn)編碼器的信息重置保證運(yùn)行安全。目前廣泛使用的光學(xué)編碼器件包括：碼板、接收機(jī)、放大機(jī)等。為方便研究者對(duì)傳統(tǒng)光電編碼器工作原理進(jìn)行展示分析，具體如圖1所示。

傳統(tǒng)光電編碼器由機(jī)械、控制、人機(jī)交互、電源、通信等模塊構(gòu)成。基于電機(jī)或機(jī)械軸轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)進(jìn)行通信，并對(duì)利用編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出和處理數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)光電編碼器的機(jī)械構(gòu)造有：光電主體和底座，編碼器和裝配夾具，耦合器，步進(jìn)電機(jī)和底座，基準(zhǔn)編碼器，滾珠絲杠，直線滑塊，底座等。光電編碼器和主控板的通信方式以串口通信為主。采用了RS-485模式對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀出與分析進(jìn)行了完善。結(jié)合RS-485，采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的通信接口對(duì)差動(dòng)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，該設(shè)備模塊的設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)光電編碼器共模干擾有很好的抑制作用。由于在傳統(tǒng)光電編碼器運(yùn)行過(guò)程中，芯片的振蕩速度沒有限制，因此需要將通信速率控制到10 MB/s范圍內(nèi)。由此可以降低由于端子的不正確匹配造成的錯(cuò)誤[3]。傳統(tǒng)光電編碼器MAX485的接收機(jī)具有故障自檢的特性，并且還具有短路電流極限識(shí)別和控制，以防止過(guò)多的功率消耗。

2 傳統(tǒng)防震動(dòng)抗干擾電路設(shè)備結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)光電編碼器干擾脈沖的種類繁多，但主要干擾分為兩種：①機(jī)械震動(dòng)引起的規(guī)律性擾動(dòng)；②電磁干擾引起的不規(guī)則震動(dòng)[4]。傳統(tǒng)光電編碼器干擾故障是由A、B相脈沖引起的。基于此，首先分析了A、B級(jí)震動(dòng)前后的異常波形。以正向計(jì)數(shù)器為例：如果編碼器在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)，而在另外一階段則無(wú)脈沖，其模擬波形如圖2所示。

在傳統(tǒng)光電編碼器機(jī)械震動(dòng)干擾的情況下，本文對(duì)傳統(tǒng)光電編碼器工作原理進(jìn)行了研究，得到了在每一次脈沖前向計(jì)數(shù)后，把編碼板看作是無(wú)幾何偏差的數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)，傳統(tǒng)光電編碼器運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，否則就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致測(cè)量值比實(shí)際值大的問(wèn)題。進(jìn)一步對(duì)電磁干擾引起的不規(guī)則震動(dòng)所造成的異常波形進(jìn)行了分析。分析了常見的典型的電磁干擾實(shí)例：第一種典型干擾是在A相脈沖之前很短的一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的干擾，而在A相位脈沖處理期間很難分辨出干擾。第二種和第三種典型干擾是緊隨A相脈沖的干擾，而當(dāng)A相脈沖臨近結(jié)束時(shí)，出現(xiàn)第二種干擾，在a相位較高時(shí)，第二種會(huì)引起震動(dòng)。如果A相位很小，那么第三種干擾就會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)[5]。通過(guò)對(duì)上述錯(cuò)誤計(jì)數(shù)的成因分析，得出了造成錯(cuò)誤計(jì)數(shù)的主要原因是計(jì)數(shù)脈沖的頻繁生成，并且在錯(cuò)誤計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生后沒有進(jìn)行任何處理。基于此，為解決上述問(wèn)題，參考了傳統(tǒng)電路的思路，即通過(guò)上下沿的結(jié)合，生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)數(shù)脈沖調(diào)控體系。但是，由于干擾信號(hào)具有不規(guī)則性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)數(shù)脈沖特性，需要反向計(jì)數(shù)器消除正負(fù)信號(hào)，減少計(jì)數(shù)脈沖，從而有效抑制錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。在傳統(tǒng)光電編碼器設(shè)備中，碼盤是最關(guān)鍵的部件，其功能是儲(chǔ)存軸角的絕對(duì)位置信息，通常都是固定在軸系上，并且碼盤隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。一般情況下，碼盤上都有一個(gè)同心圓圈，碼盤中每個(gè)圓圈都是由一個(gè)扇形的形狀構(gòu)成，扇形的形狀可以分成兩種，一種是透明的，一種是不透明的。當(dāng)光源經(jīng)過(guò)碼盤和分尺后會(huì)出現(xiàn)一定的角度的變化，此時(shí)光電接收機(jī)將變化數(shù)據(jù)讀出，從而將其轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，該電子信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路后輸入到數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。單片機(jī)收集到相關(guān)的數(shù)據(jù)后，將該數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制處理，從而轉(zhuǎn)化為天然二進(jìn)制碼。在此基礎(chǔ)上，將原始二進(jìn)制碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，最后形成一套完整的編碼，并使用界面來(lái)完成角位置信息的輸出。

3 防震動(dòng)抗干擾電路改進(jìn)方法

近幾年，隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平的提高，各個(gè)行業(yè)對(duì)光電編碼器性能的要求也越來(lái)越高，為適應(yīng)市場(chǎng)需要，逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的電路生產(chǎn)模式，并不斷研發(fā)出多種型號(hào)的編碼器，以滿足用戶的需要，產(chǎn)品的精密程度也得到了進(jìn)一步的改善。

目前，國(guó)外已經(jīng)成功地開發(fā)出了高精度、小體積的反射型光電編碼器，但在我國(guó)，關(guān)于小型光電編碼器的研究還很少。因此，開發(fā)小尺寸的光編碼設(shè)備將成為今后研究的重點(diǎn)。由于光電編碼器的工作環(huán)境往往比較復(fù)雜。因此，確保編碼器件的精確度，保證其耐沖擊、耐腐蝕、耐高溫、耐震動(dòng)等特性，也是今后的發(fā)展重點(diǎn)。

由于光電編碼器電路中，改進(jìn)生成誤計(jì)數(shù)的條件是很容易滿足的，只需要在錯(cuò)誤脈沖發(fā)生后進(jìn)行識(shí)別處理，將新的計(jì)數(shù)脈沖由上、下兩條線合并以此實(shí)現(xiàn)改進(jìn)目標(biāo)。當(dāng)計(jì)算干擾脈沖時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反向脈沖，此時(shí)需要采用可逆計(jì)數(shù)技術(shù)，抑制反向干擾。已有大量試驗(yàn)表明，該方案可以有效地抑制大部分的電路干擾。但傳統(tǒng)的光電編碼器抗干擾電路因其具有不規(guī)則的特性和局限性，在干擾脈沖和傳統(tǒng)脈沖間隔比計(jì)數(shù)脈沖小的情況下，由干擾會(huì)生成錯(cuò)誤脈沖，同時(shí)，由于干擾信號(hào)的存在，反周期脈沖也會(huì)出現(xiàn)。基于此可利用計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)法，消除正、負(fù)脈沖，以此在一定程度上消除誤差。在可逆計(jì)數(shù)器中，由于反脈沖的存在量相對(duì)較大，會(huì)導(dǎo)致正脈沖的消失，從而導(dǎo)致干擾電路中計(jì)數(shù)的脈沖偏離真實(shí)的數(shù)值基于此應(yīng)利用光電解碼器進(jìn)行干擾數(shù)據(jù)清洗。這種光電解碼器既能直接測(cè)量斜向位移，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)軸的旋轉(zhuǎn)速度的準(zhǔn)確測(cè)量。通過(guò)該方法，可以對(duì)實(shí)際的軸向旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整。軸向速度的測(cè)定采用了脈沖計(jì)數(shù)法，以一定時(shí)期內(nèi)測(cè)定脈沖數(shù)量作為指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照和調(diào)控管理，這種方法主要是利用兩個(gè)相鄰脈沖的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸的旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量。從而很好地解決高速旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題。一般采用此方法來(lái)測(cè)定轉(zhuǎn)速很高的軸。若轉(zhuǎn)速過(guò)低，則該方法的計(jì)數(shù)值會(huì)過(guò)小，從而影響測(cè)量精度，故在實(shí)際應(yīng)用中要特別重視。

在絕對(duì)編碼器中，每一個(gè)模塊都有一段運(yùn)行編碼，如果是同軸的話，就會(huì)有對(duì)應(yīng)的相似編碼。基于此，在運(yùn)行過(guò)程中可以采用自編網(wǎng)絡(luò)的失效檢測(cè)技術(shù)對(duì)編碼器故障進(jìn)行識(shí)別和分級(jí)，獲取電磁信號(hào)的影響而獲得變壓器的失效數(shù)據(jù)并采用不同的色彩標(biāo)識(shí)進(jìn)行預(yù)警。通過(guò)對(duì)變壓器失效預(yù)警級(jí)別的分類，將設(shè)備參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的信息保存在數(shù)據(jù)層面，并給出調(diào)整數(shù)據(jù)參照指標(biāo)，并通過(guò)自編網(wǎng)絡(luò)的錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)對(duì)未標(biāo)記的數(shù)據(jù)進(jìn)行提示。當(dāng)一個(gè)工作站被轉(zhuǎn)移到一個(gè)加工位置時(shí)，該編碼程序?qū)⑾蛟摽刂葡到y(tǒng)輸出對(duì)應(yīng)的代碼。比如：4#工作臺(tái)上的零件要被移動(dòng)到工作臺(tái)上，由電機(jī)帶動(dòng)，同時(shí)，它的編碼也會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，假設(shè)1#工作臺(tái)的二進(jìn)制編碼為“0000”，3#工作臺(tái)的“0100”變?yōu)椤?110”，說(shuō)明4#工作臺(tái)被轉(zhuǎn)到了加工點(diǎn)，此時(shí)，就會(huì)自動(dòng)停止旋轉(zhuǎn)。

有界激勵(lì)信號(hào)的穩(wěn)定性決定編碼器的有界響應(yīng)。就電路的穩(wěn)定性而言，有界激勵(lì)信號(hào)當(dāng)接近無(wú)窮大時(shí)，電流和電壓都會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的情況，因此需要進(jìn)行約束，使之逐漸趨于穩(wěn)定。在電路分析和設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定性是關(guān)鍵，也是最應(yīng)該優(yōu)先考慮的問(wèn)題。光電編碼器的穩(wěn)定性取決于電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而不取決于其本身的特性。因此編碼器產(chǎn)生異常錯(cuò)誤的原因主要有：電磁干擾、產(chǎn)生干擾脈沖以及機(jī)械震動(dòng)時(shí)碼盤的前后震動(dòng)干擾。為此，本文設(shè)計(jì)了一種光電編碼器抗干擾電路，其主要作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行抗干擾和調(diào)控。同時(shí)采用編程的方法，可以完成取樣循環(huán)和取樣窗的功能。假設(shè)當(dāng)輸入信號(hào)以n個(gè)相同的低電平連續(xù)采樣時(shí)，只有量化輸出被視為低電平；為了有效消除EMI引起的干擾噪聲，在連續(xù)取樣前，將其看作高電平。在抗干擾器的電路設(shè)計(jì)中，利用時(shí)鐘信號(hào)CLK計(jì)數(shù)方式設(shè)定取樣時(shí)間、取樣窗尺寸，以達(dá)到控制取樣時(shí)間及取樣窗的目的。在這種情況下，輸出信號(hào)不受電磁干擾，但會(huì)受到機(jī)械震動(dòng)的影響。所以，在此基礎(chǔ)上，必須進(jìn)行光電編碼器結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。

為分析機(jī)械震動(dòng)的震動(dòng)波形，采用正、反向抗震技術(shù)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行消解。電路的相位噪聲導(dǎo)頻是衡量編碼器工作所需要的匹配信道數(shù)量和性能的一個(gè)重要參數(shù)。在編碼器正常工作過(guò)程中，采用主客戶機(jī)作為啟動(dòng)程序。DSP的全部 EMIF接口在正常工作時(shí)仍能保持有效的連接。在此條件下，將所有的周期電子引入平行相噪聲濾波器。在系統(tǒng)降噪命令中，通過(guò)對(duì)單端差分電子設(shè)備的輸出進(jìn)行調(diào)整，可以有效地抑制相位噪聲。為了解決DSP無(wú)阻抗匹配問(wèn)題，本文引入了一種模擬FPGA，它可以識(shí)別出高、中、低頻的單端差分電路的特點(diǎn)，并依據(jù)實(shí)際的功率消耗來(lái)決定最優(yōu)的噪聲狀況。在DSP電路維持標(biāo)準(zhǔn)相位噪聲的情況下，F(xiàn)PGA會(huì)生成兩個(gè)互不沖突的信號(hào)，并將其傳輸至兩個(gè)不同的執(zhí)行元件。在差分電路中，隨著工作時(shí)間的累積，會(huì)累積相位噪聲，導(dǎo)致被消除的信號(hào)會(huì)在預(yù)定的路徑上循環(huán)，直至徹底地消除了系統(tǒng)中的相位脈沖。在這種情況下，信號(hào)的實(shí)際位置在系統(tǒng)的硬件運(yùn)行架構(gòu)之外。基于此需要對(duì)前、后兩種振型進(jìn)行分析，從而得到對(duì)應(yīng)的正、反向計(jì)數(shù)脈沖的邏輯關(guān)系。比如，當(dāng)一個(gè)機(jī)器在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于光電編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生了震動(dòng)。在這種情況下，B相的輸入脈沖總是處于較低的水平，此時(shí)由機(jī)械震動(dòng)引起的脈沖被輸入到A相中，以消除振蕩時(shí)的誤差干擾。

利用正向反振技術(shù)，將脈沖信號(hào)進(jìn)行分解，以進(jìn)行機(jī)械震動(dòng)的波形分析。在電路中，相位噪聲導(dǎo)頻是測(cè)量系統(tǒng)匹配信道數(shù)目和性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在一般的操作過(guò)程中，客戶機(jī)主要起到引導(dǎo)作用。在單端差分相片正常連接的情況下， DSP的全部EMIF接口都是有效的。在此條件下，將所有的設(shè)備運(yùn)行的周期數(shù)據(jù)引入到平行相噪聲濾波器中進(jìn)行降噪處理。在系統(tǒng)降噪過(guò)程中，并行噪聲濾波是實(shí)現(xiàn)降噪的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)光電編碼器設(shè)備的輸出數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，可以有效地抑制相位噪聲。

為了解決DSP電路中的無(wú)阻匹配問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種能識(shí)別高、中、低頻單端差分回路的單端差分回路，并依據(jù)實(shí)際功率消耗來(lái)決定最優(yōu)的噪聲狀況。在DSP電路維持標(biāo)準(zhǔn)相位噪聲的情況下，fgpa會(huì)生成兩個(gè)非沖突的信號(hào)，并將其傳輸給兩個(gè)不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。差分電路的工作時(shí)間越長(zhǎng)，相位噪聲就越大。這時(shí)，消去的信號(hào)會(huì)沿著一條預(yù)定的通路循環(huán)，直至徹底消除該系統(tǒng)的相位噪聲。本電路主要對(duì)前、后兩種振型進(jìn)行分析，從邏輯上導(dǎo)出了對(duì)應(yīng)的正、反向計(jì)數(shù)脈沖。比如，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于光電編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)引起震動(dòng)。在這種情況下，B相的輸入脈沖總是處于較低的水平。在這一點(diǎn)上，向a相中輸入由機(jī)械震動(dòng)引起的脈沖。防振裝置采用a類輸入波形，在下行鏈路的邊沿上生成一小脈沖，從而有效地消除了振蕩時(shí)的干擾。該方法具有對(duì)脈寬進(jìn)行過(guò)濾的優(yōu)勢(shì)，可以有效地避免因脈寬造成的差錯(cuò)計(jì)數(shù)。因?yàn)閷掝l識(shí)別是用程序來(lái)完成的，所以只有在各種復(fù)雜的脈沖時(shí)，才能調(diào)節(jié)程序門限，也就是可以調(diào)節(jié)脈寬。同時(shí)，這種方法能很好地克服由于震動(dòng)造成的數(shù)字誤差。該電路以CPLD為邏輯電路。維護(hù)簡(jiǎn)便，適用范圍更廣。

4 結(jié)論

要拓寬傳統(tǒng)光電編碼技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域、優(yōu)化光電編碼器的防震動(dòng)抗干擾性能，必須在理論上進(jìn)行深入的研究，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和完善。我們不但要拓展編碼器的使用領(lǐng)域，更要把編碼器的誤差降到最小，這對(duì)于促進(jìn)光電編碼技術(shù)的發(fā)展是非常有意義的。