一種光電編碼器抗振動(dòng)測(cè)速的方法

李漢

(廣州航海高等專科學(xué)校 輪機(jī)系,廣東 廣州 510725)

1 引言

光電編碼器在工業(yè)測(cè)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(cè)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(wú)干擾信號(hào)為前提,當(dāng)測(cè)速系統(tǒng)處于較大振動(dòng)的情況下是無(wú)能為力的。在振動(dòng)較大的情況下,文獻(xiàn)[3,4]分析了振動(dòng)對(duì)光電編碼器測(cè)速的影響并設(shè)計(jì)了抗干擾防振動(dòng)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(dòng)測(cè)速和判向的方法及其應(yīng)用效果。

2 振動(dòng)對(duì)編碼器輸出信號(hào)的影響

目前使用光電編碼器測(cè)速的方法有M法、T法和M/T法。M法測(cè)量一定周期內(nèi)的脈沖數(shù),T法測(cè)量脈沖的周期值,M/T法測(cè)量一定周期內(nèi)的整數(shù)個(gè)輸入脈沖的時(shí)間值。這3種方法中應(yīng)用較為廣泛的是M/T法,因?yàn)镸/T法能在短時(shí)間內(nèi)高精度檢出所測(cè)之速,且分辨率與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。但要求編碼器輸出的脈沖是無(wú)干擾的脈沖信號(hào),一旦出現(xiàn)干擾,測(cè)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(shí),電機(jī)運(yùn)行比較平穩(wěn),振動(dòng)小,采用光電編碼器測(cè)速準(zhǔn)確度較高。但電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí),振動(dòng)對(duì)光電編碼器的影響較為明顯,如果不加處理,測(cè)速結(jié)果將失去實(shí)際使用的價(jià)值。為了弄清振動(dòng)對(duì)光電編碼器輸出信號(hào)的影響,我們使用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究振動(dòng)對(duì)光電編碼器測(cè)速的影響,原因是:1)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)脈沖頻率有關(guān),與負(fù)載無(wú)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(shí),步進(jìn)電機(jī)每走一步轉(zhuǎn)子都會(huì)產(chǎn)生震蕩,借此研究振動(dòng)對(duì)光電編碼器測(cè)速性能的影響。經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)表明,傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)時(shí),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(shí)使用M/T法測(cè)速的精度較高。當(dāng)傳動(dòng)軸出現(xiàn)振動(dòng)時(shí),振動(dòng)對(duì)光電編碼器輸出信號(hào)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(gè)干擾脈沖,如圖1b所示。這時(shí)如果仍然使用非抗振動(dòng)的測(cè)速方法,測(cè)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(wú)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(gè)或若干個(gè),也可能不出現(xiàn),給準(zhǔn)確測(cè)速帶來(lái)一定的困難。經(jīng)過(guò)大量的觀測(cè),一般情況下 N=0～3。

3)光電編碼器A,B相輸出信號(hào)的正交性被破壞,無(wú)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(cè)向不穩(wěn)的現(xiàn)象,即正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)指示燈不斷閃爍,無(wú)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(dòng)測(cè)速方法

傳動(dòng)軸振動(dòng)時(shí),光電編碼器輸出信號(hào)出現(xiàn)干擾脈沖,使測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確,同時(shí)破壞A,B相信號(hào)的正交性,造成判向錯(cuò)誤。如果對(duì)測(cè)速方法不加以改進(jìn),則大大限制光電編碼器的用途。對(duì)于在傳動(dòng)軸振動(dòng)的情況下提高光電編碼器測(cè)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(gè)脈沖是干擾的,哪個(gè)脈沖是真實(shí)的。

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

在測(cè)速程序中對(duì)真實(shí)脈沖,將給以計(jì)數(shù),忽略干擾脈沖,這樣在傳動(dòng)軸出現(xiàn)振動(dòng)的情況下使用光電編碼器測(cè)速的精度將大大提高。

采用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)線路來(lái)驗(yàn)證我們的觀點(diǎn)。圖2中采用ARM7單片機(jī)LPC2114,光電編碼器 A,B相信號(hào)分別由P0.10,P0.11輸入到LPC2114,測(cè)速的結(jié)果通過(guò) I2C接口電路ZLG7290驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示出來(lái)。P0.10設(shè)置為CAP1.0,P0.11設(shè)置為GPIO。應(yīng)用PLC2114內(nèi)部定時(shí)器TIMER1捕獲和匹配功能可完成測(cè)速的要求。定時(shí)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(cè)速周期。在定時(shí)器TIMER1的中斷程序中處理測(cè)速計(jì)數(shù)和定時(shí)。

圖2 光電編碼器抗振動(dòng)測(cè)速線路圖Fig.2 Circuit diagram of vibration proof speed measurement

3.1 抗振動(dòng)M/T測(cè)量方法

設(shè)定測(cè)速周期為 Tc,測(cè)速系統(tǒng)運(yùn)行后,編碼器不斷發(fā)出A,B相脈沖信號(hào)。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(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)或作為計(jì)時(shí)開(kāi)始/結(jié)束時(shí)刻。測(cè)速系統(tǒng)從A相信號(hào)真實(shí)脈沖的下降沿開(kāi)始計(jì)時(shí),在Tc期間對(duì)A相信號(hào)不斷判定輸入脈沖的真實(shí)性,如果輸入為真實(shí)脈沖,則測(cè)速計(jì)數(shù)器m加1,如果輸入為干擾脈沖,則測(cè)速計(jì)數(shù)器保持原值不變,直到計(jì)時(shí)≥Tc,同時(shí)真實(shí)脈沖下降沿來(lái)臨時(shí)刻,記錄測(cè)速計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)m、實(shí)際計(jì)時(shí)脈沖數(shù)Tn,由此計(jì)算出轉(zhuǎn)速n。假設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)鐘頻率為fc(MHz),則

式中:n為所測(cè)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(dòng)測(cè)速方法對(duì)光電編碼器的輸出信號(hào)辨別真實(shí)脈沖和干擾脈沖,使測(cè)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(dòng)的傳動(dòng)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(hào)的正交性,從而使正交性判斷轉(zhuǎn)向的方法無(wú)法使用,應(yīng)尋求新的方法。在傳動(dòng)軸有振動(dòng)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(jì)數(shù)器Dr,在A相信號(hào)脈沖為真實(shí)脈沖的下降沿時(shí)刻,測(cè)量B相信號(hào)的電位Vd,當(dāng)Vd=“1”時(shí) ,Dr加1,當(dāng)Vd=“0”時(shí),Dr減1,在一個(gè)測(cè)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(jì)數(shù)器Dr必須在測(cè)速周期開(kāi)始時(shí)清零。這種判向方法的好處是在一個(gè)測(cè)速周期內(nèi)記錄A相信號(hào)超前于B相信號(hào)的脈沖次數(shù)來(lái)判斷轉(zhuǎn)向,不會(huì)因?yàn)閹状胃蓴_造成判向失誤,所以抗振動(dòng)的性能較好。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)條件:步進(jìn)電機(jī)42BYGH023,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器10倍細(xì)分,電機(jī)空載,測(cè)速周期0.1 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 抗振動(dòng)和非抗振動(dòng)測(cè)速方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison between the results of vibration-proof speed measurement and that of the non-vibration-proof one

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下:

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

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

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

步進(jìn)電機(jī)給定轉(zhuǎn)速小于45 r/min時(shí),步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng),采用非抗振動(dòng)方法測(cè)量的結(jié)果開(kāi)始偏離給定轉(zhuǎn)速,隨著給定轉(zhuǎn)速減低,振動(dòng)愈加嚴(yán)重,從而非抗振動(dòng)方法測(cè)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(jiàn)傳動(dòng)軸振動(dòng)對(duì)光電編碼器測(cè)速精度影響之大,如果不采取措施,光電編碼器將無(wú)法使用于低速有振動(dòng)的情況?？梢?jiàn)本文所采用的抗振動(dòng)測(cè)速方法是有效的,與非抗振動(dòng)測(cè)速方法相比,其測(cè)速范圍相比大些,其精度要高些。

本文介紹的抗振動(dòng)測(cè)速方法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單易行,即無(wú)需復(fù)雜的硬件電路,也不需要復(fù)雜和耗時(shí)的數(shù)學(xué)運(yùn)算,僅在測(cè)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(jiǎn)單,故傳動(dòng)軸扭振振幅比較小時(shí)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(guò)這一要求,將無(wú)法甄別干擾脈沖,從而不能對(duì)編碼器輸出的脈沖進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù),導(dǎo)致較大的測(cè)速誤差。

5 結(jié)論

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

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