張紅海

摘 要：自動調(diào)諧在發(fā)射機自動化中發(fā)揮著重要的作用，能否精準調(diào)諧關(guān)系著發(fā)射機能否運行在最佳工作狀態(tài)，文章主要針對150KW短波發(fā)射機步進電機中旋轉(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；抗干擾

1 概述

在150KW短波發(fā)射機自動調(diào)諧系統(tǒng)中，定位精度常常是最關(guān)鍵的性能指標之一。此系統(tǒng)中步進電機的位置采用E6B2-CWZ6C型旋轉(zhuǎn)編碼器（以下簡稱光電碼盤）進行定位。但是由于系統(tǒng)的不完善性，加上發(fā)射機的高頻干擾，電機系統(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

步進電機的位置采用旋轉(zhuǎn)編碼器（光電碼盤）進行定位，光電碼盤分結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、運行可靠的四倍頻電路，是電機伺服電路的一個重要組成部分。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長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉(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。

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。當碼盤正向旋轉(zhuǎn)時（CW），A相比B相超前四分之一個周期；當碼盤反向旋轉(zhuǎn)時（CCW），B相比A相超前四分之一個周期。計數(shù)過程由可編程計數(shù)器或微處理器內(nèi)部定時/計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)，當需控制的電機數(shù)量較多時，采用FPGA實現(xiàn)會更為簡單。而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準點定位。

通過對該波形的處理得到碼盤的方向信號和計數(shù)脈沖，送入實際位置計數(shù)器。由于FPGA不具備存儲功能，掉電之后實際位置會丟失，需要在下一次上電時將實際位置重新寫入實際位置計數(shù)器，所以此計數(shù)器也有置數(shù)功能。將可調(diào)元件的實際位置采用光電碼盤的計數(shù)測量與要求的預(yù)置值進行數(shù)字運算比較，其誤差在數(shù)字上等于零。根據(jù)比較誤差來控制執(zhí)行電機轉(zhuǎn)動：當預(yù)置值大于實際值，控制電機正轉(zhuǎn)；當預(yù)置值小于實際值，控制電機反轉(zhuǎn)；當預(yù)置值等于實際值，控制電機不轉(zhuǎn)。

3 出現(xiàn)的問題及其原因

可是在長時間的倒頻之后，由于電機長時間的帶電和電機制造工藝的不一致性以及負載大小的差異，導(dǎo)致各別電機在轉(zhuǎn)動過程中出現(xiàn)跑數(shù)和顫抖現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為：（1）在倒頻進行時，某一路電機碼盤計數(shù)來回震蕩，電機在某一位置跟著顫動。（2）調(diào)諧結(jié)束后，個別電機位置會出現(xiàn)不停增大或減小至零的現(xiàn)象，電機實際位置沒變。（3）長時間倒頻后，個別電機位置出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致發(fā)射機狀態(tài)變差。

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

步進電機如果工作電流不夠或者轉(zhuǎn)動力矩過小時，就會出現(xiàn)電機齒輪咬合不到位的現(xiàn)象。而光電碼盤是與電機通過齒輪相互聯(lián)系的，電機顫動，勢必會引起碼盤的變化。這樣的振動會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)定或誤動作，導(dǎo)致事故發(fā)生。當碼盤的震動幅度超過四分之一周期的長度時，就會觸發(fā)FPGA內(nèi)計數(shù)器，導(dǎo)致誤計數(shù)開始。

第三種現(xiàn)象經(jīng)發(fā)現(xiàn)主要是電機轉(zhuǎn)動過程中，碼盤傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有干擾出現(xiàn)，導(dǎo)致碼盤在轉(zhuǎn)動一圈時，輸出脈沖大于1000，現(xiàn)場的各種電磁干擾源，對光電碼盤產(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)誤動或位置跑偏，而導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。

4 改進措施

4.1 改變光電碼盤的安裝方式

光電碼盤不在安裝在電動機外殼上，而是在電動機的基礎(chǔ)上制作一固定支架來獨立安裝光電碼盤，光電碼盤軸與電動機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，以減輕電動機沖擊負載對光電碼盤的機械沖擊，減小光電碼盤的顫動。

4.2 提高光碼盤的安裝工藝

根據(jù)輸出波形來看，Z相的高電平起點還重要，如果安裝時Z相的高電平起點不對，計數(shù)就會出現(xiàn)誤差，嚴重時會出現(xiàn)計數(shù)的跳動，所以安裝時要注意Z相的起始位置，D切口要與Z相原點位置保持一致，最好不要超過30°的偏差。

4.3 調(diào)諧完成后封鎖電機，使電機斷電

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

這樣電機在調(diào)諧完成后就會失去外電，從而無法抖動，由于碼盤是跟隨電機一起轉(zhuǎn)動的，屬于從動機構(gòu)，因此也就無法轉(zhuǎn)動，也就不會產(chǎn)生計數(shù)脈沖。

4.4 調(diào)諧完成后，封鎖碼盤電源

由于碼盤跟隨電機可能發(fā)生顫動而向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。因為一旦碼盤失電，其ABZ脈沖就無法產(chǎn)生，并且傳輸給FPGA主板，也無法產(chǎn)生脈沖計數(shù)。

4.5 合理選擇光電檢測裝置輸出信號傳輸介質(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重要的技術(shù)特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強的防護能力，因為空間電磁場在線上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個技術(shù)特點是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。

4.6 使用Z脈沖來進行定時位置校正

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

4.7 電機復(fù)位操作

為了減少長期倒頻產(chǎn)生的誤差，電機復(fù)位是一個很好的措施，讓電器元件全部回到限位點，而Z脈沖也回到基準點。我機房目前每周進行兩次復(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，我們有效地解決了碼盤跑數(shù)現(xiàn)象，同時減少了電磁干擾對定位系統(tǒng)的影響，步進電機的準確性優(yōu)勢得到了更好的體現(xiàn)，系統(tǒng)整體運行更加穩(wěn)定，精度也大幅提高。這次改進也為其他元器件的改進提供了寶貴的經(jīng)驗和設(shè)計思路。

參考文獻

[1]自動調(diào)諧技術(shù)說明書[Z].

[2]E6B2-CWZ6C型旋轉(zhuǎn)編碼器說明書[Z].

[3]歐姆龍官方網(wǎng)站[Z].

[4]E6B2型旋轉(zhuǎn)編碼器技術(shù)論壇[Z].