李漢

(廣州航海高等?？茖W(xué)校 輪機(jī)系,廣東 廣州 510725)

1 引言

光電編碼器在工業(yè)測速有較為廣泛的應(yīng)用,光電編碼器的應(yīng)用技術(shù)不斷產(chǎn)生。文獻(xiàn)[1]采用恒基準(zhǔn)脈沖法提高光電編碼器測速的精度,文獻(xiàn)[2]采用鎖相環(huán)技術(shù)提高低速響應(yīng)速度,但這些方法都以光電編碼器輸出正交無干擾信號為前提,當(dāng)測速系統(tǒng)處于較大振動的情況下是無能為力的。在振動較大的情況下,文獻(xiàn)[3,4]分析了振動對光電編碼器測速的影響并設(shè)計了抗干擾防振動電子線路。本文將介紹一種基于ARM7嵌入式系統(tǒng)的光電編碼器抗振動測速和判向的方法及其應(yīng)用效果。

2 振動對編碼器輸出信號的影響

目前使用光電編碼器測速的方法有M法、T法和M/T法。M法測量一定周期內(nèi)的脈沖數(shù),T法測量脈沖的周期值,M/T法測量一定周期內(nèi)的整數(shù)個輸入脈沖的時間值。這3種方法中應(yīng)用較為廣泛的是M/T法,因為M/T法能在短時間內(nèi)高精度檢出所測之速,且分辨率與轉(zhuǎn)速無關(guān)。但要求編碼器輸出的脈沖是無干擾的脈沖信號,一旦出現(xiàn)干擾,測量的精確度將大大降低。

在控制系統(tǒng)中,當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時,電機(jī)運行比較平穩(wěn),振動小,采用光電編碼器測速準(zhǔn)確度較高。但電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時,振動對光電編碼器的影響較為明顯,如果不加處理,測速結(jié)果將失去實際使用的價值。為了弄清振動對光電編碼器輸出信號的影響,我們使用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動進(jìn)行實驗,研究振動對光電編碼器測速的影響,原因是:1)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動脈沖頻率有關(guān),與負(fù)載無關(guān),有利于獲得準(zhǔn)確的給定轉(zhuǎn)速;2)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速范圍較寬;3)當(dāng)轉(zhuǎn)速低于某一轉(zhuǎn)速時,步進(jìn)電機(jī)每走一步轉(zhuǎn)子都會產(chǎn)生震蕩,借此研究振動對光電編碼器測速性能的影響。經(jīng)過監(jiān)測表明,傳動軸轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、無振動時,光電編碼器輸出波形為 A,B兩相正交波形,如圖1a所示。這時使用M/T法測速的精度較高。當(dāng)傳動軸出現(xiàn)振動時,振動對光電編碼器輸出信號的影響如下。

1)光電編碼器輸出波形在 A相或B相的前沿或后沿出現(xiàn)N個干擾脈沖,如圖1b所示。這時如果仍然使用非抗振動的測速方法,測量結(jié)果將具有較大的誤差,且不穩(wěn)定,導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法使用。

2)干擾脈沖的出現(xiàn)具有隨機(jī)性。干擾脈沖可能在脈沖前沿出現(xiàn),也可能在后沿出現(xiàn);可能出現(xiàn)1個或若干個,也可能不出現(xiàn),給準(zhǔn)確測速帶來一定的困難。經(jīng)過大量的觀測,一般情況下 N=0～3。

3)光電編碼器A,B相輸出信號的正交性被破壞,無法使用正交性判斷轉(zhuǎn)向,如果仍然使用這種轉(zhuǎn)向判斷方法,將出現(xiàn)測向不穩(wěn)的現(xiàn)象,即正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)指示燈不斷閃爍,無法確定轉(zhuǎn)向。

圖1 光電編碼器輸出波形圖Fig.1 Output waveforms of optical encoder

3 光電編碼器抗振動測速方法

傳動軸振動時,光電編碼器輸出信號出現(xiàn)干擾脈沖,使測速脈沖計數(shù)不準(zhǔn)確,同時破壞A,B相信號的正交性,造成判向錯誤。如果對測速方法不加以改進(jìn),則大大限制光電編碼器的用途。對于在傳動軸振動的情況下提高光電編碼器測速精度,關(guān)鍵是能夠?qū),B相的輸出脈沖去偽存真,分辨出哪個脈沖是干擾的,哪個脈沖是真實的。

假設(shè)光電編碼器輸出 A,B兩相信號,以 A相信號為測速脈沖信號,B相信號為參考信號。由圖1a可看出,當(dāng)A相信號的上升沿時刻測得B相信號的電位與A相信號的下降沿時刻測得B相信號的電位不同時,此次脈沖為真實脈沖,反之脈沖為干擾脈沖。甄別編碼器輸出脈沖真實性具體如下:在A相信號的上升沿時刻測量B相信號的電位Vu,下降沿時刻測量B相信號的電位Vd,則:當(dāng)Vu≠Vd時,判定本次脈沖為真實脈沖;當(dāng)Vu=Vd時,判定本次脈沖為干擾脈沖。

在測速程序中對真實脈沖,將給以計數(shù),忽略干擾脈沖,這樣在傳動軸出現(xiàn)振動的情況下使用光電編碼器測速的精度將大大提高。

采用如圖2所示的實驗線路來驗證我們的觀點。圖2中采用ARM7單片機(jī)LPC2114,光電編碼器 A,B相信號分別由P0.10,P0.11輸入到LPC2114,測速的結(jié)果通過 I2C接口電路ZLG7290驅(qū)動數(shù)碼管顯示出來。P0.10設(shè)置為CAP1.0,P0.11設(shè)置為GPIO。應(yīng)用PLC2114內(nèi)部定時器TIMER1捕獲和匹配功能可完成測速的要求。定時器 TIMER1設(shè)置為CAP1.0上升沿、下降沿捕獲并產(chǎn)生中斷;T1MR0匹配中斷并復(fù)位,用于產(chǎn)生周期為0.1 s的測速周期。在定時器TIMER1的中斷程序中處理測速計數(shù)和定時。

圖2 光電編碼器抗振動測速線路圖Fig.2 Circuit diagram of vibration proof speed measurement

3.1 抗振動M/T測量方法

設(shè)定測速周期為 Tc,測速系統(tǒng)運行后,編碼器不斷發(fā)出A,B相脈沖信號。系統(tǒng)接收到脈沖之后,必須甄別出 A相的干擾脈沖,從而決定是否對脈沖進(jìn)行計數(shù)或作為計時開始/結(jié)束時刻。測速系統(tǒng)從A相信號真實脈沖的下降沿開始計時,在Tc期間對A相信號不斷判定輸入脈沖的真實性,如果輸入為真實脈沖,則測速計數(shù)器m加1,如果輸入為干擾脈沖,則測速計數(shù)器保持原值不變,直到計時≥Tc,同時真實脈沖下降沿來臨時刻,記錄測速計數(shù)器的脈沖數(shù)m、實際計時脈沖數(shù)Tn,由此計算出轉(zhuǎn)速n。假設(shè)計時時鐘頻率為fc(MHz),則

式中:n為所測轉(zhuǎn)速,r/min;P為編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù),P=500;fc=1.105 92 MHz;Crmp=60×106fc/P=132 710.4 r/min。

抗振動測速方法對光電編碼器的輸出信號辨別真實脈沖和干擾脈沖,使測速結(jié)果的精度在一定條件下大為提高,使光電編碼器應(yīng)用進(jìn)入低速有振動的傳動控制領(lǐng)域。

3.2 判斷轉(zhuǎn)向

由于干擾脈沖的出現(xiàn),破壞了光電編碼器A,B相輸出信號的正交性,從而使正交性判斷轉(zhuǎn)向的方法無法使用,應(yīng)尋求新的方法。在傳動軸有振動的情況下,為了較為準(zhǔn)確地判定轉(zhuǎn)向,本文采用如下的方法:設(shè)置判向計數(shù)器Dr,在A相信號脈沖為真實脈沖的下降沿時刻,測量B相信號的電位Vd,當(dāng)Vd=“1”時 ,Dr加1,當(dāng)Vd=“0”時,Dr減1,在一個測速周期Tc內(nèi)Dr＞0,則判為正轉(zhuǎn);Dr＜0,則判為反轉(zhuǎn)。

判向計數(shù)器Dr必須在測速周期開始時清零。這種判向方法的好處是在一個測速周期內(nèi)記錄A相信號超前于B相信號的脈沖次數(shù)來判斷轉(zhuǎn)向,不會因為幾次干擾造成判向失誤,所以抗振動的性能較好。

4 實驗結(jié)果

實驗條件:步進(jìn)電機(jī)42BYGH023,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器DL-022M-I,光電編碼器OSS-05-2C。步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°,驅(qū)動器10倍細(xì)分,電機(jī)空載,測速周期0.1 s。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 抗振動和非抗振動測速方法實驗結(jié)果對比Tab.1 Comparison between the results of vibration-proof speed measurement and that of the non-vibration-proof one

實驗結(jié)果分析如下:

1)步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)運行的速段(n≥45 r/min),2種方法測量結(jié)果基本相同;

2)轉(zhuǎn)子振動較大的速段(0.72 r/min≤n≤5.64 r/min),采用抗振動方法的測速結(jié)果比較準(zhǔn)確,而非抗振動方法的測速結(jié)果嚴(yán)重偏離給定轉(zhuǎn)速;

3)在整個轉(zhuǎn)速給定范圍內(nèi)(0.72 r/min≤n≤720 r/min)采用抗振動方法皆能正確測向;而出現(xiàn)較大振動的轉(zhuǎn)速范圍(0.72 r/min≤n≤5.64 r/min),非抗振動方法無法測出正確的轉(zhuǎn)向。

步進(jìn)電機(jī)給定轉(zhuǎn)速小于45 r/min時,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動,采用非抗振動方法測量的結(jié)果開始偏離給定轉(zhuǎn)速,隨著給定轉(zhuǎn)速減低,振動愈加嚴(yán)重,從而非抗振動方法測量的結(jié)果愈加偏離給定轉(zhuǎn)速,最大達(dá)3倍之多。由此可見傳動軸振動對光電編碼器測速精度影響之大,如果不采取措施,光電編碼器將無法使用于低速有振動的情況。可見本文所采用的抗振動測速方法是有效的,與非抗振動測速方法相比,其測速范圍相比大些,其精度要高些。

本文介紹的抗振動測速方法的優(yōu)點是方法簡單易行,即無需復(fù)雜的硬件電路,也不需要復(fù)雜和耗時的數(shù)學(xué)運算,僅在測速程序中增加一段甄別干擾脈沖的代碼即可。但由于甄別光電編碼器干擾脈沖的方法較為簡單,故傳動軸扭振振幅比較小時此方法是有效的,要求

式中:Vm為振幅;Y為光電編碼器的槽距。

超過這一要求,將無法甄別干擾脈沖,從而不能對編碼器輸出的脈沖進(jìn)行準(zhǔn)確計數(shù),導(dǎo)致較大的測速誤差。

5 結(jié)論

本文在觀測傳動軸振動對光電編碼器輸出信號影響的基礎(chǔ)上,提出一種簡單易行的甄別光電編碼器干擾脈沖的方法。結(jié)合M/T測速方法,形成基于光電編碼器的抗振動測速和判向的方法,并采用步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動的實驗系統(tǒng)進(jìn)行測試。結(jié)果表明,本文所采用的抗振動測速方法在傳動軸扭振振幅不大的條件下是有效的,與非抗振動測速方法相比,不僅擴(kuò)大了光電編碼器的測速范圍,而且測速的精度要高些,因此本文介紹的抗振動測速和判向的方法具有較好的實用價值。

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