宿榮凱 ， 張 濤 ， 孫金根 ， 張 勝 ， 王方玉

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016；3.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110016；4.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)遼寧有限公司沈陽(yáng)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110068）

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電驅(qū)動(dòng)伺服單元的應(yīng)用愈加廣泛。在工業(yè)的運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中，無(wú)論是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還是直線運(yùn)動(dòng)，均需要一定精度的位置檢測(cè)裝置反饋執(zhí)行器實(shí)時(shí)位置信息。使用金屬線介質(zhì)傳輸信息不僅在帶寬上受到限制，而且在大型設(shè)備中，遠(yuǎn)距離傳輸線通常會(huì)對(duì)通信的信號(hào)完整性和電磁兼容工作帶來(lái)挑戰(zhàn)。在機(jī)器人等復(fù)雜設(shè)備中，功率線纜與信號(hào)線纜并行、交叉穿行于金屬腔體內(nèi)部，不同的電機(jī)在同時(shí)工作時(shí)，會(huì)發(fā)生功率線對(duì)信號(hào)線干擾、信號(hào)線之間互擾，以致通信錯(cuò)誤，伺服單元無(wú)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(yuǎn)、抗電磁干擾性好、保密性好等一系列明顯的優(yōu)點(diǎn)。將光通信應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及機(jī)器人伺服位置反饋可以解決帶寬限制以及信號(hào)干擾等問(wèn)題，能夠提高控制實(shí)時(shí)性、增強(qiáng)反饋可靠性，在目前流行的總線式控制方案中尤為適用。

現(xiàn)有的光纖位置反饋方案多采用收、發(fā)各用一條光路，共需兩條光纖完成，這種方案可能會(huì)引起資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。同時(shí)由于光通信的收發(fā)器和光纖的成本較高，并且雙纖并排時(shí)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(yōu)選方案[2]。

本文基于單芯雙向技術(shù)，應(yīng)用多圈絕對(duì)值編碼器，設(shè)計(jì)完成了一套高性能電機(jī)絕對(duì)位置檢測(cè)方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了其有效性。

1 單纖雙向技術(shù)原理

目前應(yīng)用較為廣泛的單芯雙向通信技術(shù)有：副載波（Subcarrier Detection，SCD）雙向技術(shù)、偏振式（Polarization Bidirectional Communication，PBC）雙向技術(shù)和波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）雙向技術(shù)等[3]。

其中，副載波雙向傳輸技術(shù)采用Y型耦合器將光域中來(lái)去兩個(gè)方向的信號(hào)連接在一起，并利用Y耦的方向性加以區(qū)分，如圖1所示。但由于存在“自發(fā)自收”的干擾，所以需要利用調(diào)頻技術(shù)和頻分（Frequency Division，F(xiàn)D）技術(shù)，使得光纖兩端傳輸頻率互不相同的光信號(hào)，將來(lái)去兩個(gè)傳輸方向的頻帶錯(cuò)開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的雙向傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是成本低，技術(shù)發(fā)展成熟且容易實(shí)現(xiàn)[4]。

圖1 副載波傳輸系統(tǒng)原理圖

偏振式單芯雙向通信利用光的偏振原理，在信號(hào)發(fā)送端通過(guò)光發(fā)送機(jī)發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)起偏器后，通過(guò)光纖發(fā)往接收端，在信號(hào)接收端通過(guò)檢偏器讓平行于檢偏器偏振化方向的入射光信號(hào)通過(guò)，同時(shí)使同端的起偏器與入射偏振光信號(hào)的光振動(dòng)方向相互垂直，克服信號(hào)的自發(fā)自收現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)在單芯中的雙向傳輸，圖2為偏振式雙向傳輸原理圖。其優(yōu)點(diǎn)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(tǒng)原理圖

波分復(fù)用技術(shù)利用一根光纖同時(shí)傳輸多個(gè)光載波，它們各有不同的波長(zhǎng)，而每一光載波獨(dú)立傳輸一組信號(hào)，波分復(fù)用原理就是充分利用了光纖寬帶的傳輸特性，從而實(shí)現(xiàn)多種信息的傳輸，為防止端口的發(fā)送和接收光信號(hào)相互干擾，也需要利用調(diào)頻技術(shù)和頻分（FD）技術(shù)[5]，如圖3所示。實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用技術(shù)主要技術(shù)為光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）技術(shù)，傳輸距離的長(zhǎng)短會(huì)直接影響到放大器所產(chǎn)生噪聲的積累程度，因此需要將EDFA技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)目標(biāo)距離使其保持最佳的級(jí)聯(lián)方式，傳輸系統(tǒng)中波分復(fù)用器的使用能夠使光纖得到最大化的節(jié)約，同時(shí)大大增長(zhǎng)了光纖的承載能力，使光纖更加有效的利用，在遠(yuǎn)距離的傳輸過(guò)程中能夠節(jié)約光纖放大器的使用數(shù)量，減少成本[6]。相比于其他兩種傳輸方式，波分復(fù)用具有傳輸距離長(zhǎng)、容量大等優(yōu)點(diǎn)，WDM系統(tǒng)中的EDFA技術(shù)能將光的范圍擴(kuò)大，使整個(gè)WDM系統(tǒng)能夠覆蓋1550nm的波長(zhǎng)范圍，時(shí)至今日，WDM可以傳輸數(shù)百千米，大大減少了中繼設(shè)備，降低了傳輸成本；WDM中通路速率快，通路數(shù)量可達(dá)到32條以上，容量可比其他的通信技術(shù)大1倍左右[7]。

圖3 波分復(fù)用單芯雙向傳輸系統(tǒng)原理圖

在單芯雙向傳輸系統(tǒng)中，同一根光纖中同時(shí)傳輸兩路相反方向的光信號(hào)，能夠匹配雙工的信號(hào)傳輸工作方式，利用分光透鏡電路對(duì)往返的兩個(gè)光載波進(jìn)行合成和分離的處理，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的雙向傳輸，這也是較傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸技術(shù)的新的突破點(diǎn)，其光路示意可見(jiàn)圖4。

圖4 單纖雙向波分復(fù)用透鏡內(nèi)光路

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

2 編碼器光電轉(zhuǎn)換電路與通信協(xié)議

編碼器通常分為增量式、絕對(duì)式及混合式光電編碼器三類。增量式編碼器的優(yōu)點(diǎn)是裝置比較簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，編碼器平均壽命長(zhǎng)、分辨率高，缺點(diǎn)是沒(méi)有記憶能力，一旦運(yùn)行中出現(xiàn)突然斷電停機(jī)的情況，故障后不能恢復(fù)故障前所在位置[8]。絕對(duì)式編碼器結(jié)構(gòu)是絕對(duì)碼盤配合機(jī)械齒輪，優(yōu)點(diǎn)是能直接給出對(duì)應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計(jì)算機(jī)處理，在故障停電時(shí)，或在雖然通電，但無(wú)數(shù)據(jù)讀出的情況下，軸位置能保留和記憶。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高[9]。

本文采用混合式多圈絕對(duì)式光電編碼器，能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)次數(shù)的檢測(cè)與信息記憶，以及一轉(zhuǎn)內(nèi)對(duì)絕對(duì)角度的檢測(cè)、信號(hào)修正、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)傳輸，具有很強(qiáng)的靈活性[10]。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 混合式多圈絕對(duì)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(gè)單圈絕對(duì)式光電編碼器和一個(gè)增量式磁性編碼器的組合。其中光電編碼器在單轉(zhuǎn)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度的絕對(duì)位置檢測(cè)，輸出信號(hào)為不歸零碼（Non-return to Zero，NRZ）形式信號(hào)。而磁性編碼器用來(lái)檢測(cè)多圈轉(zhuǎn)數(shù)，然后采用大規(guī)模集成電路和專用CPU將多圈數(shù)據(jù)、單圈數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息組合，一同使用數(shù)據(jù)線傳出。編碼器外接+3.6 V備用電源，當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行中突然掉電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軸位置和多圈轉(zhuǎn)數(shù)的保存。

為了使單纖雙向通信能夠應(yīng)用于復(fù)合編碼器位置檢測(cè)裝置之中，最主要的問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)信號(hào)在光電之間的轉(zhuǎn)換，這是整個(gè)位置檢測(cè)方法的難點(diǎn)之一，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。本系統(tǒng)采用MAX485芯片收發(fā)編碼器的差分電信號(hào)，差分驅(qū)動(dòng)器將原始信號(hào)濾波、整形、電平轉(zhuǎn)換后發(fā)送到光纖驅(qū)動(dòng)電路，光纖驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)光電激光管發(fā)射光纖信號(hào)，其波長(zhǎng)為f1，其中f1為1 310 nm或1 550 nm。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路接收波長(zhǎng)為f2（f1=f2）的光信號(hào)時(shí)，該驅(qū)動(dòng)電路中產(chǎn)生信號(hào)SD，利用該信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)485芯片的發(fā)送禁止控制，可以避免信號(hào)在傳輸過(guò)程中的自收自發(fā)現(xiàn)象。同時(shí)，從光纖接收的信號(hào)經(jīng)差分接收器處理轉(zhuǎn)換后，通過(guò)485芯片發(fā)送給編碼器，完成通信過(guò)程。

圖6 光電轉(zhuǎn)換適配電路

文中所用的編碼器具有單圈內(nèi)17位的分辨率，可達(dá)到的最小分度為0.002 7角度。多圈計(jì)數(shù)容量為16位，最多可計(jì)數(shù)65 535圈，可以滿足絕大多數(shù)的伺服工控系統(tǒng)的要求。除此之外編碼器還具有狀態(tài)檢測(cè)和故障報(bào)警功能，圖7為編碼器串行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的NRZ碼幀格式。該組數(shù)據(jù)由11組字段組成，其中包括單圈位置信息、多圈數(shù)據(jù)信息、編碼器的工作狀態(tài)信息以及CRC校驗(yàn)碼[11]。

圖7 編碼器串行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的幀格式

圖7中所示為完整幀格式，實(shí)際使用中如果不是每個(gè)周期都需要多圈信息和狀態(tài)檢測(cè)信息的話，驅(qū)動(dòng)器可改變命令字，編碼器可以返回部分幀數(shù)據(jù)。串行通訊波特率最高可達(dá)5 Mbit/s，可以在幾微秒至幾十微秒內(nèi)完成一次通訊，完全可以滿足常見(jiàn)電伺服驅(qū)動(dòng)器的要求。

單纖雙向技術(shù)檢測(cè)電機(jī)絕對(duì)位置的工作過(guò)程為：首先由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器向編碼器發(fā)送命令字，信號(hào)通過(guò)編碼器電光轉(zhuǎn)換、光纖的波分復(fù)用技術(shù)以及編碼器光電轉(zhuǎn)換發(fā)送到編碼器，編碼器跟據(jù)收得的命令字發(fā)送相應(yīng)的軸位置和多圈數(shù)據(jù)信號(hào)，計(jì)算如式（1）、式（2），再通過(guò)光纖和收發(fā)模塊，將電機(jī)位置信息返回給驅(qū)動(dòng)器。

由驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用式（1），可以計(jì)算轉(zhuǎn)子機(jī)械角度θM，從而計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。

其中：Qcount為編碼器返回計(jì)數(shù)，Qbias為安裝偏移量，n為編碼器位數(shù)。

電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法有M法和T法，在高速時(shí)使用M法，低速使用T法進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，由式（2），進(jìn)行M法計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速SM，進(jìn)而對(duì)電機(jī)的運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行控制。

其中：Fs為速度采樣頻率。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證方案的可行性，搭建了電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)布置情況可見(jiàn)圖8。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布置情況

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由驅(qū)動(dòng)器、光纖和收發(fā)模塊、編碼器、電機(jī)和示波器組成。其中示波器型號(hào)為TDS2024B，驅(qū)動(dòng)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(chǔ)器接口進(jìn)行連接，收發(fā)器型號(hào)為HFBR-1404/2406,其在25℃，Vcc=5.0Vdc條件下平均接收靈敏度-34.4 dBm，發(fā)送光功率為-15.2 dBm。應(yīng)用主磁極矢量控制，PS21265為功率模塊，PWM頻率為12 kHz，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。電機(jī)型號(hào)為11STM04030H，功率為1.2 kW，3對(duì)極永磁同步電機(jī)。

實(shí)驗(yàn)所用編碼器與驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器之間的傳輸速率已近百兆[12]，在整個(gè)傳輸過(guò)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(shù)a1為：

在檢測(cè)光纖質(zhì)量時(shí)候，光纖的衰減系數(shù)是一個(gè)重要的參數(shù)[13]。國(guó)家規(guī)定光纖全程衰減系數(shù)為：

標(biāo)準(zhǔn)光纖在1 310 nm、1 550 nm損耗系數(shù)分別為0.2 dB/km、0.35 nm/km。

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

但由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)器和編碼器采用2.5 MHz的頻率經(jīng)10 m光纖來(lái)驗(yàn)證雙向通信過(guò)程，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用可調(diào)節(jié)光纖衰減儀[14]來(lái)模擬不同的光纖長(zhǎng)度。圖9為經(jīng)光電轉(zhuǎn)換還原為電信號(hào)的實(shí)測(cè)通信波形。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作測(cè)試，從圖9中可以看出，通信波形良好，系統(tǒng)狀態(tài)良好，沒(méi)有檢測(cè)到誤碼情況的發(fā)生。

圖9 通信波形

圖10為電機(jī)實(shí)際運(yùn)行測(cè)得的波型，圖中電機(jī)轉(zhuǎn)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(jiàn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子位置測(cè)量連續(xù)。

圖10 電機(jī)角度數(shù)值與相電流波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文首先深入研究了幾種主要的單纖雙向通信技術(shù)，介紹了復(fù)合式多圈絕對(duì)值編碼器，詳細(xì)介紹了一種應(yīng)用波分復(fù)用式單纖雙向技術(shù)進(jìn)行電機(jī)編碼器位置反饋的方案，并通過(guò)搭設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了應(yīng)用WDM技術(shù)單纖雙向通信的可行性。

實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用本文的方案，可以明顯提高編碼器串行通信的實(shí)時(shí)性、可靠性、傳輸速率以及傳輸距離，減少光纖數(shù)量，節(jié)約布線成本，提高了通信質(zhì)量。其優(yōu)良的抗干擾特性尤其適用于機(jī)器人等復(fù)雜電磁環(huán)境的場(chǎng)合。