基于旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動天線角度的測量

文丨陳 倫 胡 曉 程光磊

轉(zhuǎn)動天線角度測量方式演變

831臺在用的1號和2號ZT-1型轉(zhuǎn)動天線，是我國自行試制的第一副大功率、高增益、寬頻段、多方位短波同相水平轉(zhuǎn)動天線。

天線角度取樣初期是采用與轉(zhuǎn)動天線中心支柱同步聯(lián)動大齒輪帶動固定位置的轉(zhuǎn)換機構(gòu)再帶動光電碼盤方式來實現(xiàn)。光電碼盤編碼方式采用BCD碼（如表1），其上同軸開十圈透光孔，光源通過透光孔對光敏電阻進(jìn)行照射采樣，信號經(jīng)邏輯判斷后送至個、十、百位0—9十層數(shù)碼管顯示相應(yīng)數(shù)字，從而準(zhǔn)確指示位置信息。

此方式在使用中由于機械磨損造成轉(zhuǎn)動天線中心支柱偏心，打壞的大齒輪跳齒，致使天線實際位置與指示位置不一致；再加上取樣用的光電碼盤產(chǎn)品落后，體積較大，光源不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)漏碼，造成天線定位精度低。

經(jīng)改造后將原采樣結(jié)構(gòu)改為彈性隨動取樣結(jié)構(gòu)，克服天線中心偏心問題，將原光電碼盤改為KOYO公司的TRDNA系列絕對值型旋轉(zhuǎn)編碼器。它屬于一種超小型、高速響應(yīng)、采用金屬光柵、輸出為無讀取誤差的格雷碼編碼器。絕對值型編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16 線……編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的亮、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器，這樣的編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼；抗干擾能力強，沒用累積誤差，體積小；電源切斷后位置信息不會丟失，它不受停電、干擾的影響。

格雷碼（又叫循環(huán)二進(jìn)制碼或反射二進(jìn)制碼）介紹

格雷碼（Gray Co）是一種絕對編碼方式，對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度以格雷碼形式并行輸出絕對位置值。格雷二進(jìn)制碼是為了彌補二進(jìn)制碼的缺陷而產(chǎn)生的代碼。因為在二進(jìn)制碼中當(dāng)從某一個數(shù)到下一個數(shù)變化時，可能同時有2個以上的數(shù)據(jù)位發(fā)生變化，例如從十進(jìn)制的3轉(zhuǎn)換為4時二進(jìn)制碼的每一位都要變，使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖，由于對各位讀取的時序上的差異，可能造成讀出錯誤。為了解決此問題，設(shè)計一種代碼，使其在從任一數(shù)到下一數(shù)變化時，只有一個數(shù)據(jù)位變化，以避免讀取錯誤，這樣的代碼即格雷二進(jìn)制碼，是一種錯誤最小化的編碼方式。而且無需計數(shù)器，它大大地減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時邏輯的混淆。另外由于最大數(shù)與最小數(shù)之間也僅一個數(shù)不同，故通常又叫格雷反射碼或循環(huán)碼。下面以四位代碼為例，由格雷碼與二進(jìn)制碼的對照表導(dǎo)出兩種代碼相互轉(zhuǎn)換的邏輯表達(dá)式（如表1）：

格雷碼轉(zhuǎn)換成自然二進(jìn)制碼，其法則是保留格雷碼的最高位作為自然二進(jìn)制碼的最高位，而次高位自然二進(jìn)制碼為高位自然二進(jìn)制碼與次高位格雷碼相異或，而自然二進(jìn)制碼的其余各位與次高位自然二進(jìn)制碼的求法相類似。

某二進(jìn)制格雷碼為 Gn-1 Gn-2…G2 G1 G0

其對應(yīng)的自然二進(jìn)制碼為 Bn-1 Bn-2…B2 B1 B0

其中：最高位保留--- Bn-1=Gn-1

其他各位--- Bi-1 =Gi-1異或Bi i=1,2…，n-1

表1

圖1 天線角度取樣方框圖

表2

天線角度的測量

通過以上的分析，由于格雷碼不是權(quán)重碼，每一位碼沒有確定的大小，不能直接轉(zhuǎn)換為角度信號，要進(jìn)行一次碼變換，變成自然二進(jìn)值碼。采樣角度以格雷碼的形式進(jìn)入PLC后（如圖1），需在PLC中對格雷碼進(jìn)行異或邏輯運算，從而得到二進(jìn)制碼進(jìn)行輸出。由于我們測定的范圍即天線轉(zhuǎn)動角度在360°以內(nèi)，編碼器選分辯率為1024，就可用10位格雷碼來映射轉(zhuǎn)角位移量信號，天線度數(shù)變化1°時，對應(yīng)的10位格雷碼只變化一位。因此，我們通過一根RVVP多蕊電纜和格雷碼盤相連，直接采集10位格雷碼信號至PLC數(shù)字量輸入模塊。

下面以831臺使用的TRD NA1024 NW5M（負(fù)邏輯輸出）旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行采樣，天線角度為高頻161°時為例（如表2）：經(jīng)PLC轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制碼為0111001100，十進(jìn)制為460，計算得460×360°/1024=161°。

旋轉(zhuǎn)編碼器采集來的格雷碼通過PLC梯形圖完成異或運算，依次異或轉(zhuǎn)換后的值就是格雷碼轉(zhuǎn)換后自然碼的值。轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制碼在PLC中通過命令轉(zhuǎn)換語言將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼，經(jīng)PLC采集、運算后的天線實際角度信號由PLC的通訊端口采用RS232/RS485方式和上位機進(jìn)行通訊，并通過RS232協(xié)議送到上位機通過顯示屏顯示。

進(jìn)口轉(zhuǎn)動天線角度的測量

2021臺的Alliss轉(zhuǎn)動天線是我局從德國THALES公司引進(jìn)的一部大功率、高增益、全頻段可實現(xiàn)360度全方位覆蓋的500KW同相水平短波轉(zhuǎn)動天線。

為了提高控制精度，從而實現(xiàn)精確定位，德國Alliss轉(zhuǎn)動天線使用了TWK公司生產(chǎn)的絕對值型旋轉(zhuǎn)編碼器，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數(shù)字化等優(yōu)點；其由傳感器，光柵盤和光電檢測裝置組成。它將轉(zhuǎn)軸的任意位置量利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，從而讀出一個固定的與位置量相對應(yīng)的數(shù)字碼（格雷碼），編碼器中將光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量（格雷碼）的過程和格雷碼轉(zhuǎn)換為自然二進(jìn)制碼的原理與831臺使用的KOYO公司的TRD-NA系列絕對值編碼器是相同的，這里就不做重復(fù)介紹了。編碼器輸出的電壓信號通過一根15芯的電纜送到天線控制系統(tǒng)中的角度數(shù)字模塊進(jìn)行運算，計算出實際角度，同時進(jìn)行顯示。

現(xiàn)在詳細(xì)介紹一下進(jìn)口轉(zhuǎn)動天線角度的取樣和測量。與831臺角度編碼器不同的是，在TWK編碼器內(nèi)部就已經(jīng)將格雷碼轉(zhuǎn)換為BCD碼，不需要在PLC中通過程序來轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的BCD碼經(jīng)過7407 TTL 集電極開路六正相高壓驅(qū)動器，輸出為電壓信號。因編碼器中將光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量（格雷碼）的過程和格雷碼轉(zhuǎn)換為自然二進(jìn)制碼的原理與831臺使用的KOYO公司的TRDNA系列絕對值編碼器是相同的，所以我們詳細(xì)介紹一下產(chǎn)生的BCD碼經(jīng)過7407 TTL 集電極開路六正相高壓驅(qū)動器，輸出為電壓信號的變換過程。

進(jìn)口轉(zhuǎn)動天線的編碼器內(nèi)部的7407模塊部分實際上是由兩個7407芯片組成，11路（其中一路為奇/偶信號，其他為角度信號）集電極開路高壓驅(qū)動器輸出。輸出的高電平為Vs（24V），低電平為0V。假設(shè)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的BCD碼為01011011000，輸入到7407模塊部分轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的高/低壓信號，天線控制系統(tǒng)的設(shè)置為低電平有效，控制系統(tǒng)進(jìn)行邏輯判斷。

計算角度：01011011000

結(jié)束語

通過近幾年在兩個臺實際使用，證明絕對值編碼器性能穩(wěn)定、可靠、調(diào)整方便，不需維修與專門培訓(xùn)，性價比高。數(shù)據(jù)采集的抗干擾和可靠性大幅度提高。