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浙江華東機(jī)電工程有限公司，浙江杭州，311228

0 引言

傳統(tǒng)光電編碼器的特點是重量輕、體積小、精度高，其工作原理是把輸出軸上的機(jī)械位移變換成數(shù)字或模擬信號的一種光電變換技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，光電子編碼技術(shù)已被越來越多地投入使用[1]。傳統(tǒng)光電編碼器在各種復(fù)雜的環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用，并且在實際應(yīng)用過程中已取得了較好的結(jié)果。但是，在實際使用中發(fā)現(xiàn)它在震動干擾環(huán)境下存在一些誤差。本文對光電編碼器計數(shù)誤差的成因進(jìn)行了分析，并針對光電編碼器常規(guī)抗干擾電路的不足，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 傳統(tǒng)光電編碼器工作原理

傳統(tǒng)光電編碼器通過光、機(jī)、電一體化原理，來完成由信號變換的測量。光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行脈沖或數(shù)字量檢測的裝置，通過輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，形成機(jī)械幾何位移量，從而轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，傳統(tǒng)光電編碼器當(dāng)前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人的裝置和設(shè)備中。在醫(yī)藥、工業(yè)、商業(yè)、交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，使社會的各行各業(yè)的工業(yè)設(shè)備水平得到了極大的提升[2]。在傳統(tǒng)光電子編碼器的數(shù)據(jù)采集與處理中，將tim3的ch1、ch2連接到編碼器A、B，并采用正交法進(jìn)行編碼。通過這種方式可以消除計時器的錯誤，并實現(xiàn)編碼器的信息重置保證運(yùn)行安全。目前廣泛使用的光學(xué)編碼器件包括：碼板、接收機(jī)、放大機(jī)等。為方便研究者對傳統(tǒng)光電編碼器工作原理進(jìn)行展示分析，具體如圖1所示。

傳統(tǒng)光電編碼器由機(jī)械、控制、人機(jī)交互、電源、通信等模塊構(gòu)成。基于電機(jī)或機(jī)械軸轉(zhuǎn)動，編碼器采用單片機(jī)實現(xiàn)與PC機(jī)進(jìn)行通信，并對利用編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出和處理數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)光電編碼器的機(jī)械構(gòu)造有：光電主體和底座，編碼器和裝配夾具，耦合器，步進(jìn)電機(jī)和底座，基準(zhǔn)編碼器，滾珠絲杠，直線滑塊，底座等。光電編碼器和主控板的通信方式以串口通信為主。采用了RS-485模式對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀出與分析進(jìn)行了完善。結(jié)合RS-485，采用了一個簡單的通信接口對差動信號進(jìn)行識別，該設(shè)備模塊的設(shè)計對傳統(tǒng)光電編碼器共模干擾有很好的抑制作用。由于在傳統(tǒng)光電編碼器運(yùn)行過程中，芯片的振蕩速度沒有限制，因此需要將通信速率控制到10 MB/s范圍內(nèi)。由此可以降低由于端子的不正確匹配造成的錯誤[3]。傳統(tǒng)光電編碼器MAX485的接收機(jī)具有故障自檢的特性，并且還具有短路電流極限識別和控制，以防止過多的功率消耗。

2 傳統(tǒng)防震動抗干擾電路設(shè)備結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)光電編碼器干擾脈沖的種類繁多，但主要干擾分為兩種：①機(jī)械震動引起的規(guī)律性擾動；②電磁干擾引起的不規(guī)則震動[4]。傳統(tǒng)光電編碼器干擾故障是由A、B相脈沖引起的?；诖?，首先分析了A、B級震動前后的異常波形。以正向計數(shù)器為例：如果編碼器在一定時間內(nèi)會產(chǎn)生機(jī)械震動，而在另外一階段則無脈沖，其模擬波形如圖2所示。

在傳統(tǒng)光電編碼器機(jī)械震動干擾的情況下，本文對傳統(tǒng)光電編碼器工作原理進(jìn)行了研究，得到了在每一次脈沖前向計數(shù)后，把編碼板看作是無幾何偏差的數(shù)據(jù)，也就是說，傳統(tǒng)光電編碼器運(yùn)行不會產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖，否則就會產(chǎn)生錯誤，導(dǎo)致測量值比實際值大的問題。進(jìn)一步對電磁干擾引起的不規(guī)則震動所造成的異常波形進(jìn)行了分析。分析了常見的典型的電磁干擾實例：第一種典型干擾是在A相脈沖之前很短的一段時間內(nèi)出現(xiàn)的干擾，而在A相位脈沖處理期間很難分辨出干擾。第二種和第三種典型干擾是緊隨A相脈沖的干擾，而當(dāng)A相脈沖臨近結(jié)束時，出現(xiàn)第二種干擾，在a相位較高時，第二種會引起震動。如果A相位很小，那么第三種干擾就會產(chǎn)生震動[5]。通過對上述錯誤計數(shù)的成因分析，得出了造成錯誤計數(shù)的主要原因是計數(shù)脈沖的頻繁生成，并且在錯誤計數(shù)脈沖發(fā)生后沒有進(jìn)行任何處理?；诖?，為解決上述問題，參考了傳統(tǒng)電路的思路，即通過上下沿的結(jié)合，生成一個標(biāo)準(zhǔn)的計數(shù)脈沖調(diào)控體系。但是，由于干擾信號具有不規(guī)則性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的計數(shù)脈沖特性，需要反向計數(shù)器消除正負(fù)信號，減少計數(shù)脈沖，從而有效抑制錯誤計數(shù)。在傳統(tǒng)光電編碼器設(shè)備中，碼盤是最關(guān)鍵的部件，其功能是儲存軸角的絕對位置信息，通常都是固定在軸系上，并且碼盤隨著軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。一般情況下，碼盤上都有一個同心圓圈，碼盤中每個圓圈都是由一個扇形的形狀構(gòu)成，扇形的形狀可以分成兩種，一種是透明的，一種是不透明的。當(dāng)光源經(jīng)過碼盤和分尺后會出現(xiàn)一定的角度的變化，此時光電接收機(jī)將變化數(shù)據(jù)讀出，從而將其轉(zhuǎn)化為電子信號，該電子信號經(jīng)過放大電路后輸入到數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。單片機(jī)收集到相關(guān)的數(shù)據(jù)后，將該數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制處理，從而轉(zhuǎn)化為天然二進(jìn)制碼。在此基礎(chǔ)上，將原始二進(jìn)制碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，最后形成一套完整的編碼，并使用界面來完成角位置信息的輸出。

3 防震動抗干擾電路改進(jìn)方法

近幾年，隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平的提高，各個行業(yè)對光電編碼器性能的要求也越來越高，為適應(yīng)市場需要，逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的電路生產(chǎn)模式，并不斷研發(fā)出多種型號的編碼器，以滿足用戶的需要，產(chǎn)品的精密程度也得到了進(jìn)一步的改善。

目前，國外已經(jīng)成功地開發(fā)出了高精度、小體積的反射型光電編碼器，但在我國，關(guān)于小型光電編碼器的研究還很少。因此，開發(fā)小尺寸的光編碼設(shè)備將成為今后研究的重點。由于光電編碼器的工作環(huán)境往往比較復(fù)雜。因此，確保編碼器件的精確度，保證其耐沖擊、耐腐蝕、耐高溫、耐震動等特性，也是今后的發(fā)展重點。

由于光電編碼器電路中，改進(jìn)生成誤計數(shù)的條件是很容易滿足的，只需要在錯誤脈沖發(fā)生后進(jìn)行識別處理，將新的計數(shù)脈沖由上、下兩條線合并以此實現(xiàn)改進(jìn)目標(biāo)。當(dāng)計算干擾脈沖時，會產(chǎn)生反向脈沖，此時需要采用可逆計數(shù)技術(shù)，抑制反向干擾。已有大量試驗表明，該方案可以有效地抑制大部分的電路干擾。但傳統(tǒng)的光電編碼器抗干擾電路因其具有不規(guī)則的特性和局限性，在干擾脈沖和傳統(tǒng)脈沖間隔比計數(shù)脈沖小的情況下，由干擾會生成錯誤脈沖，同時，由于干擾信號的存在，反周期脈沖也會出現(xiàn)?；诖丝衫糜嫈?shù)器的計數(shù)法，消除正、負(fù)脈沖，以此在一定程度上消除誤差。在可逆計數(shù)器中，由于反脈沖的存在量相對較大，會導(dǎo)致正脈沖的消失，從而導(dǎo)致干擾電路中計數(shù)的脈沖偏離真實的數(shù)值基于此應(yīng)利用光電解碼器進(jìn)行干擾數(shù)據(jù)清洗。這種光電解碼器既能直接測量斜向位移，又能實現(xiàn)對軸的旋轉(zhuǎn)速度的準(zhǔn)確測量。通過該方法，可以對實際的軸向旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行測量和調(diào)整。軸向速度的測定采用了脈沖計數(shù)法，以一定時期內(nèi)測定脈沖數(shù)量作為指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)對照和調(diào)控管理，這種方法主要是利用兩個相鄰脈沖的時間來實現(xiàn)對主軸的旋轉(zhuǎn)速度的測量。從而很好地解決高速旋轉(zhuǎn)的問題。一般采用此方法來測定轉(zhuǎn)速很高的軸。若轉(zhuǎn)速過低，則該方法的計數(shù)值會過小，從而影響測量精度，故在實際應(yīng)用中要特別重視。

在絕對編碼器中，每一個模塊都有一段運(yùn)行編碼，如果是同軸的話，就會有對應(yīng)的相似編碼?；诖耍谶\(yùn)行過程中可以采用自編網(wǎng)絡(luò)的失效檢測技術(shù)對編碼器故障進(jìn)行識別和分級，獲取電磁信號的影響而獲得變壓器的失效數(shù)據(jù)并采用不同的色彩標(biāo)識進(jìn)行預(yù)警。通過對變壓器失效預(yù)警級別的分類，將設(shè)備參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的信息保存在數(shù)據(jù)層面，并給出調(diào)整數(shù)據(jù)參照指標(biāo)，并通過自編網(wǎng)絡(luò)的錯誤檢測技術(shù)對未標(biāo)記的數(shù)據(jù)進(jìn)行提示。當(dāng)一個工作站被轉(zhuǎn)移到一個加工位置時，該編碼程序?qū)⑾蛟摽刂葡到y(tǒng)輸出對應(yīng)的代碼。比如：4#工作臺上的零件要被移動到工作臺上，由電機(jī)帶動，同時，它的編碼也會隨著時間的推移而變化，假設(shè)1#工作臺的二進(jìn)制編碼為“0000”，3#工作臺的“0100”變?yōu)椤?110”，說明4#工作臺被轉(zhuǎn)到了加工點，此時，就會自動停止旋轉(zhuǎn)。

有界激勵信號的穩(wěn)定性決定編碼器的有界響應(yīng)。就電路的穩(wěn)定性而言，有界激勵信號當(dāng)接近無窮大時，電流和電壓都會產(chǎn)生不穩(wěn)定的情況，因此需要進(jìn)行約束，使之逐漸趨于穩(wěn)定。在電路分析和設(shè)計中，穩(wěn)定性是關(guān)鍵，也是最應(yīng)該優(yōu)先考慮的問題。光電編碼器的穩(wěn)定性取決于電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而不取決于其本身的特性。因此編碼器產(chǎn)生異常錯誤的原因主要有：電磁干擾、產(chǎn)生干擾脈沖以及機(jī)械震動時碼盤的前后震動干擾。為此，本文設(shè)計了一種光電編碼器抗干擾電路，其主要作用是對輸入信號進(jìn)行抗干擾和調(diào)控。同時采用編程的方法，可以完成取樣循環(huán)和取樣窗的功能。假設(shè)當(dāng)輸入信號以n個相同的低電平連續(xù)采樣時，只有量化輸出被視為低電平；為了有效消除EMI引起的干擾噪聲，在連續(xù)取樣前，將其看作高電平。在抗干擾器的電路設(shè)計中，利用時鐘信號CLK計數(shù)方式設(shè)定取樣時間、取樣窗尺寸，以達(dá)到控制取樣時間及取樣窗的目的。在這種情況下，輸出信號不受電磁干擾，但會受到機(jī)械震動的影響。所以，在此基礎(chǔ)上，必須進(jìn)行光電編碼器結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

為分析機(jī)械震動的震動波形，采用正、反向抗震技術(shù)對脈沖信號進(jìn)行消解。電路的相位噪聲導(dǎo)頻是衡量編碼器工作所需要的匹配信道數(shù)量和性能的一個重要參數(shù)。在編碼器正常工作過程中，采用主客戶機(jī)作為啟動程序。DSP的全部 EMIF接口在正常工作時仍能保持有效的連接。在此條件下，將所有的周期電子引入平行相噪聲濾波器。在系統(tǒng)降噪命令中，通過對單端差分電子設(shè)備的輸出進(jìn)行調(diào)整，可以有效地抑制相位噪聲。為了解決DSP無阻抗匹配問題，本文引入了一種模擬FPGA，它可以識別出高、中、低頻的單端差分電路的特點，并依據(jù)實際的功率消耗來決定最優(yōu)的噪聲狀況。在DSP電路維持標(biāo)準(zhǔn)相位噪聲的情況下，F(xiàn)PGA會生成兩個互不沖突的信號，并將其傳輸至兩個不同的執(zhí)行元件。在差分電路中，隨著工作時間的累積，會累積相位噪聲，導(dǎo)致被消除的信號會在預(yù)定的路徑上循環(huán)，直至徹底地消除了系統(tǒng)中的相位脈沖。在這種情況下，信號的實際位置在系統(tǒng)的硬件運(yùn)行架構(gòu)之外。基于此需要對前、后兩種振型進(jìn)行分析，從而得到對應(yīng)的正、反向計數(shù)脈沖的邏輯關(guān)系。比如，當(dāng)一個機(jī)器在轉(zhuǎn)動時，由于光電編碼器的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生了震動。在這種情況下，B相的輸入脈沖總是處于較低的水平，此時由機(jī)械震動引起的脈沖被輸入到A相中，以消除振蕩時的誤差干擾。

利用正向反振技術(shù)，將脈沖信號進(jìn)行分解，以進(jìn)行機(jī)械震動的波形分析。在電路中，相位噪聲導(dǎo)頻是測量系統(tǒng)匹配信道數(shù)目和性能的一個重要指標(biāo)。在一般的操作過程中，客戶機(jī)主要起到引導(dǎo)作用。在單端差分相片正常連接的情況下， DSP的全部EMIF接口都是有效的。在此條件下，將所有的設(shè)備運(yùn)行的周期數(shù)據(jù)引入到平行相噪聲濾波器中進(jìn)行降噪處理。在系統(tǒng)降噪過程中，并行噪聲濾波是實現(xiàn)降噪的重要環(huán)節(jié)。通過對光電編碼器設(shè)備的輸出數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，可以有效地抑制相位噪聲。

為了解決DSP電路中的無阻匹配問題，設(shè)計了一種能識別高、中、低頻單端差分回路的單端差分回路，并依據(jù)實際功率消耗來決定最優(yōu)的噪聲狀況。在DSP電路維持標(biāo)準(zhǔn)相位噪聲的情況下，fgpa會生成兩個非沖突的信號，并將其傳輸給兩個不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。差分電路的工作時間越長，相位噪聲就越大。這時，消去的信號會沿著一條預(yù)定的通路循環(huán)，直至徹底消除該系統(tǒng)的相位噪聲。本電路主要對前、后兩種振型進(jìn)行分析，從邏輯上導(dǎo)出了對應(yīng)的正、反向計數(shù)脈沖。比如，在轉(zhuǎn)動時，由于光電編碼器的轉(zhuǎn)動，會引起震動。在這種情況下，B相的輸入脈沖總是處于較低的水平。在這一點上，向a相中輸入由機(jī)械震動引起的脈沖。防振裝置采用a類輸入波形，在下行鏈路的邊沿上生成一小脈沖，從而有效地消除了振蕩時的干擾。該方法具有對脈寬進(jìn)行過濾的優(yōu)勢，可以有效地避免因脈寬造成的差錯計數(shù)。因為寬頻識別是用程序來完成的，所以只有在各種復(fù)雜的脈沖時，才能調(diào)節(jié)程序門限，也就是可以調(diào)節(jié)脈寬。同時，這種方法能很好地克服由于震動造成的數(shù)字誤差。該電路以CPLD為邏輯電路。維護(hù)簡便，適用范圍更廣。

4 結(jié)論

要拓寬傳統(tǒng)光電編碼技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域、優(yōu)化光電編碼器的防震動抗干擾性能，必須在理論上進(jìn)行深入的研究，并對其進(jìn)行改進(jìn)和完善。我們不但要拓展編碼器的使用領(lǐng)域，更要把編碼器的誤差降到最小，這對于促進(jìn)光電編碼技術(shù)的發(fā)展是非常有意義的。