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针对E6B2—CWZ6C型旋转编码器跑数的改进

作者：张红海

来源：《科技创新与应用》2015年第18期

摘 要：自动调谐在发射机自动化中发挥着重要的作用，能否精准调谐关系着发射机能否运行在最佳工作状态，文章主要针对150KW短波发射机步进电机中旋转编码器的不稳定问题，提出合理解决方案，确保自动调谐系统的稳定性。 关键词：旋转编码器；跑数；改进；抗干扰 1 概述

在150KW短波发射机自动调谐系统中，定位精度常常是最关键的性能指标之一。此系统中步进电机的位置采用E6B2-CWZ6C型旋转编码器（以下简称光电码盘）进行定位。但是由于系统的不完善性，加上发射机的高频干扰，电机系统还存在着一些问题，其中最典型的就是码盘跑数现象。 2 旋转编码器

步进电机的位置采用旋转编码器（光电码盘）进行定位，光电码盘分结构简单、性能稳定、运行可靠的四倍频电路，是电机伺服电路的一个重要组成部分。光电码盘是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电码盘是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。

光电码盘有A、B、Z三相输出，A相和B相输出占空比为50%的方波。A、B两组脉冲相位差90°，从而可方便地判断出旋转方向，码盘每旋转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲。当码盘正向旋转时（CW），A相比B相超前四分之一个周期；当码盘反向旋转时（CCW），B相比A相超前四分之一个周期。计数过程由可编程计数器或微处理器内部定时/计数器实现计数，当需控制的电机数量较多时，采用FPGA实现会更为简单。而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。

通过对该波形的处理得到码盘的方向信号和计数脉冲，送入实际位置计数器。由于FPGA不具备存储功能，掉电之后实际位置会丢失，需要在下一次上电时将实际位置重新写入实际位

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置计数器，所以此计数器也有置数功能。将可调元件的实际位置采用光电码盘的计数测量与要求的预置值进行数字运算比较，其误差在数字上等于零。根据比较误差来控制执行电机转动：当预置值大于实际值，控制电机正转；当预置值小于实际值，控制电机反转；当预置值等于实际值，控制电机不转。 3 出现的问题及其原因

可是在长时间的倒频之后，由于电机长时间的带电和电机制造工艺的不一致性以及负载大小的差异，导致各别电机在转动过程中出现跑数和颤抖现象。具体表现为：（1）在倒频进行时，某一路电机码盘计数来回震荡，电机在某一位置跟着颤动。（2）调谐结束后，个别电机位置会出现不停增大或减小至零的现象，电机实际位置没变。（3）长时间倒频后，个别电机位置出现误差，导致发射机状态变差。

对于这几种情况，经过对故障的仔细观察和分析，得出如下结论：第一和第二现象主要跟步进电机的构造有关。步进电机采用的是齿轮咬合转动的方式。在出现跑数故障时，由于发射机状态没有发生变化，因此，电机没有转动。但是从码盘却传来了计数脉冲。后发现在调谐到位后，电机的齿轮没有咬合好，会出现抖动现象。另外还有电机齿轮与码盘齿轮之间咬合不好，均会出现这种情况。

步进电机如果工作电流不够或者转动力矩过小时，就会出现电机齿轮咬合不到位的现象。而光电码盘是与电机通过齿轮相互联系的，电机颤动，势必会引起码盘的变化。这样的振动会损坏光电编码器的内部功能。造成误发脉冲，从而导致控制系统不稳定或误动作，导致事故发生。当码盘的震动幅度超过四分之一周期的长度时，就会触发FPGA内计数器，导致误计数开始。

第三种现象经发现主要是电机转动过程中，码盘传输的数据有干扰出现，导致码盘在转动一圈时，输出脉冲大于1000，现场的各种电磁干扰源，对光电码盘产生的干扰，导致光电码盘输出波形发生畸变失真，使系统误动或位置跑偏，而导致系统精度下降。 4 改进措施

4.1 改变光电码盘的安装方式

光电码盘不在安装在电动机外壳上，而是在电动机的基础上制作一固定支架来独立安装光电码盘，光电码盘轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度，两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接，以减轻电动机冲击负载对光电码盘的机械冲击，减小光电码盘的颤动。 4.2 提高光码盘的安装工艺

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根据输出波形来看，Z相的高电平起点还重要，如果安装时Z相的高电平起点不对，计数就会出现误差，严重时会出现计数的跳动，所以安装时要注意Z相的起始位置，D切口要与Z相原点位置保持一致，最好不要超过30°的偏差。 4.3 调谐完成后封锁电机，使电机断电

步进电机在调谐完成后，并没有断调电源，而是通过驱动电路的脱机电平（free）来控制，不让电机转动。由于电机带电，就有可能在电机齿轮没有咬合到位的情况下发生抖动。如果将电机的电源断掉，那么电机也就失去了外力，因此也就不会产生抖动。利用FPGA的一个输出引脚来控制继电器的通断，在利用继电器来控制电机电源的通断。当调谐没有完成时，FPGA引脚输出低电平，继电器线包带电，接点吸合，电机得电；当调谐完成后，FPGA引脚输出高电平，继电器线包失电，接点断开，电机失电；重新倒频时，FPGA引脚恢复原态，电机得电。

这样电机在调谐完成后就会失去外电，从而无法抖动，由于码盘是跟随电机一起转动的，属于从动机构，因此也就无法转动，也就不会产生计数脉冲。 4.4 调谐完成后，封锁码盘电源

由于码盘跟随电机可能发生颤动而向FPGA主板误传送AB脉冲，因此我们还可以通过封锁码盘电源来解决这一问题。因为一旦码盘失电，其ABZ脉冲就无法产生，并且传输给FPGA主板，也无法产生脉冲计数。

4.5 合理选择光电检测装置输出信号传输介质

采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性，一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力，因为空间电磁场在线上产生的干扰电流可以互相抵消。双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小，两线对干扰线路的距离基本相等，两线对屏蔽网的分布电容也基本相同，这对抑制共模干扰效果更加明显。 4.6 使用Z脉冲来进行定时位置校正

增量式光电码盘虽然精度较高，却无法输出轴转动的绝对位置信息。而由于Z脉冲在光电码盘转动1圈时出现1次，而Z脉冲的位置是固定的，因此在光电码盘转动过程中出现Z脉冲时将数字直接记为正千，这样在一定程度上就减小了干扰。另外在电机全体复位后，不再将下限位作为校正的基准，而是从下限位向上转动时出现的第1个Z脉冲为基准。这样更加准确，因为Z脉冲是固定的。 4.7 电机复位操作