基于單纖雙向技術(shù)的電機(jī)絕對位置檢測方法*

宿榮凱 ， 張 濤 ， 孫金根 ， 張 勝 ， 王方玉

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

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電驅(qū)動伺服單元的應(yīng)用愈加廣泛。在工業(yè)的運(yùn)動控制領(lǐng)域中，無論是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，還是直線運(yùn)動，均需要一定精度的位置檢測裝置反饋執(zhí)行器實(shí)時位置信息。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)距離傳輸線通常會對通信的信號完整性和電磁兼容工作帶來挑戰(zhàn)。在機(jī)器人等復(fù)雜設(shè)備中，功率線纜與信號線纜并行、交叉穿行于金屬腔體內(nèi)部，不同的電機(jī)在同時工作時，會發(fā)生功率線對信號線干擾、信號線之間互擾，以致通信錯誤，伺服單元無法工作的情況[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干擾等問題，能夠提高控制實(shí)時性、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，這種方案可能會引起資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。同時由于光通信的收發(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)用多圈絕對值編碼器，設(shè)計完成了一套高性能電機(jī)絕對位置檢測方案，并通過實(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去兩個方向的信號連接在一起，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，將來去兩個傳輸方向的頻帶錯開，從而實(shí)現(xiàn)光信號的雙向傳輸。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，在信號發(fā)送端通過光發(fā)送機(jī)發(fā)出的光信號經(jīng)過起偏器后，通過光纖發(fā)往接收端，在信號接收端通過檢偏器讓平行于檢偏器偏振化方向的入射光信號通過，同時使同端的起偏器與入射偏振光信號的光振動方向相互垂直，克服信號的自發(fā)自收現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)光信號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)利用一根光纖同時傳輸多個光載波，它們各有不同的波長，而每一光載波獨(dú)立傳輸一組信號，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)，傳輸距離的長短會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，同時大大增長了光纖的承載能力，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、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WDM系統(tǒng)能夠覆蓋1550nm的波長范圍，時至今日，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，同一根光纖中同時傳輸兩路相反方向的光信號，能夠匹配雙工的信號傳輸工作方式，利用分光透鏡電路對往返的兩個光載波進(jìn)行合成和分離的處理，實(shí)現(xiàn)光信號的雙向傳輸，這也是較傳統(tǒng)的信號傳輸技術(shù)的新的突破點(diǎn)，其光路示意可見圖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)是裝置比較簡單、易于實(shí)現(xiàn)，編碼器平均壽命長、分辨率高，缺點(diǎn)是沒有記憶能力，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]。絕對式編碼器結(jié)構(gòu)是絕對碼盤配合機(jī)械齒輪，優(yōu)點(diǎn)是能直接給出對應(yīng)于每個轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計算機(jī)處理，在故障停電時，或在雖然通電，但無數(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式光電編碼器，能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)次數(shù)的檢測與信息記憶，以及一轉(zhuǎn)內(nèi)對絕對角度的檢測、信號修正、數(shù)據(jù)處理、信號傳輸，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單圈絕對式光電編碼器和一個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、高精度的絕對位置檢測，輸出信號為不歸零碼（Non-return to Zero，NRZ）形式信號。而磁性編碼器用來檢測多圈轉(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，可以實(shí)現(xiàn)對軸位置和多圈轉(zhuǎn)數(shù)的保存。

為了使單纖雙向通信能夠應(yīng)用于復(fù)合編碼器位置檢測裝置之中，最主要的問題是實(shí)現(xiàn)信號在光電之間的轉(zhuǎn)換，這是整個位置檢測方法的難點(diǎn)之一，設(shè)計結(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，差分驅(qū)動器將原始信號濾波、整形、電平轉(zhuǎn)換后發(fā)送到光纖驅(qū)動電路，光纖驅(qū)動電路驅(qū)動光電激光管發(fā)射光纖信號，其波長為f1，其中f1為1 310 nm或1 550 nm。當(dāng)驅(qū)動電路接收波長為f2（f1=f2）的光信號時，該驅(qū)動電路中產(chǎn)生信號SD，利用該信號實(shí)現(xiàn)對485芯片的發(fā)送禁止控制，可以避免信號在傳輸過程中的自收自發(fā)現(xiàn)象。同時，從光纖接收的信號經(jīng)差分接收器處理轉(zhuǎn)換后，通過485芯片發(fā)送給編碼器，完成通信過程。

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。多圈計數(shù)容量為16位，最多可計數(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)檢測和故障報警功能，圖7為編碼器串行發(fā)送數(shù)據(jù)時的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周期都需要多圈信息和狀態(tài)檢測信息的話，驅(qū)動器可改變命令字，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，完全可以滿足常見電伺服驅(qū)動器的要求。

單纖雙向技術(shù)檢測電機(jī)絕對位置的工作過程為：首先由電機(jī)驅(qū)動器向編碼器發(fā)送命令字，信號通過編碼器電光轉(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，計算如式（1）、式（2），再通過光纖和收發(fā)模塊，將電機(jī)位置信息返回給驅(qū)動器。

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

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

電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量方法有M法和T法，在高速時使用M法，低速使用T法進(jìn)行轉(zhuǎn)速計算，由式（2），進(jìn)行M法計算電機(jī)轉(zhuǎn)速SM，進(jìn)而對電機(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)行測試，測試平臺布置情況可見圖8。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺布置情況

該實(shí)驗(yàn)平臺主要由驅(qū)動器、光纖和收發(fā)模塊、編碼器、電機(jī)和示波器組成。其中示波器型號為TDS2024B，驅(qū)動器采用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器接口進(jìn)行連接，收發(fā)器型號為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)動電機(jī)運(yùn)行。電機(jī)型號為11STM04030H，功率為1.2 kW，3對極永磁同步電機(jī)。

實(shí)驗(yàn)所用編碼器與驅(qū)動器之間傳輸速率為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)動器之間的傳輸速率已近百兆[12]，在整個傳輸過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：

在檢測光纖質(zhì)量時候，光纖的衰減系數(shù)是一個重要的參數(shù)[13]。國家規(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波長的光接口類型HFBR- 1404/2406，按照式（4）、式（5），計算可傳輸距離為L=17 km，1 310 nm波長的最大傳輸距離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)過程中驅(qū)動器和編碼器采用2.5 MHz的頻率經(jīng)10 m光纖來驗(yàn)證雙向通信過程，實(shí)驗(yàn)過程中使用可調(diào)節(jié)光纖衰減儀[14]來模擬不同的光纖長度。圖9為經(jīng)光電轉(zhuǎn)換還原為電信號的實(shí)測通信波形。經(jīng)長時間工作測試，從圖9中可以看出，通信波形良好，系統(tǒng)狀態(tài)良好，沒有檢測到誤碼情況的發(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。由波型可見電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子位置測量連續(xù)。

圖10 電機(jī)角度數(shù)值與相電流波形

4 結(jié) 語

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，并通過搭設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺驗(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)境的場合。