主動避振自穩定的光電速度位移傳感器設計

張春友，吳曉強

(內蒙古民族大學機械工程學院，內蒙古通遼 028000)

0 引言

光電編碼器在現代高精度控制系統中常被用來檢測對象的位置和速度等參數。光電編碼器分兩大類,(絕對式和增量式)。絕對式編碼器常用于檢測位置和角度。增量式編碼器常用于檢測距離和速度，其價格較絕對值式編碼器低，因此使用比較廣泛。在某些大型機械設備上，在實際生產過程中振動較大，因此測速編碼器旋轉軸的晃動會引起編碼器輸出波形的抖動，從而出現誤計數現象。即使單次誤差較小，當累計到一定程度，就使得測量結果產生較大偏差。因此，文中提出一種主動避振的設計，來減輕機械振動對測量精度的影響，使得振動對測量的影響控制在系統允許的容錯范圍之內。

1 誤差分析

1.1 傳統設計

傳統的光電編碼器的鑒相與計數方法有很多種。但目前都未曾對機械振動而產生計數誤差的問題采取有效的解決方法。有研究人員嘗試在電路上解決振動對計數產生的影響，也有研究人員嘗試在軟件層面上去解決問題，但都不能得到理想的效果。在電路上，振動頻帶越寬，其減振電路設計越復雜。因此，電路減振設計無法適應各種振動頻帶的工作場合。在軟件上，通過做濾波設計來減少振動帶來的計數誤差，使得計數實時性下降。因此，在高速計數時，軟件減振措施也有其局限性[1]。

1.2 誤差產生原因

機械設備例如起重機，尤其是需要精確定位的起重機，對位置測量精度要求極高。當傳感器與機械機構硬連接安裝時，機械機構運行中產生的振動就通過硬連接結構傳遞到傳感器上。光電編碼器內部是由精密的光學電子結構組成的，不連續的機械振動將會導致光電編碼器的主碼盤產生高頻振動，從而導致輸出脈沖抖動[2]，造成系統的計數誤差。

如圖1所示，由于某些大型機械在橫向行走速度較慢，但縱向振動頻率較大，導致輸出信號抖動。

圖1 增量式編碼器低速抖動信號

2 減振系統設計

文中將傳統的速度位移傳感器和避振系統結合起來，提出一種可以自適應各種振動頻率的主動避振光電速度位移傳感器。

2.1 傳統測速傳感器介紹

傳統的速度位移傳感器主要包括編碼器、信號調理電路、計數電路[3]。信號調理電路主要完成倍頻或者鑒別相位等工作，計數電路主要完成脈沖計量工作，一般為單片機。根據單位時間內計得的脈沖個數即可推算出被測對象的速度和位移[4]。傳統速度位移傳感器方案如圖2所示。

圖2 傳統速度位移傳感器方案

2.2 減振結構設計與工作原理

機械振動容易造成機械機構永久性損害。傳統避振設計一般是通過在容易產生損壞的部位安裝彈簧來減輕振動，例如汽車的懸掛系統。直到近年來，磁流變液才受到關注。

磁流變液是一種由高磁導率且低磁滯性的微小的軟磁性顆粒和非導磁性液體混合而成的磁性軟粒懸浮液，這種懸浮液體在零磁場條件下呈現出低黏度的特性，但是在強磁場作用下，呈現出高粘度、低流動性的液體特性。

磁流變液的這種流變可控性使其能夠實現阻尼力的連續可變，從而可以代替彈簧，達到對振動的主動控制目的。當液體被注入減振器活塞內的電磁線圈后，線圈的磁場將改變其流變特性(或產生流體阻力)，從而在沒有機電控制閥且機械裝置簡單的情形下產生反應迅速、可控性強的阻尼力。減振控制系統應用磁流變(MR)液體和不帶機電控制閥的減振器提供反應迅速、減振性能強大的阻尼力控制[5]。

文中結合磁流變減振系統，對傳統速度位移傳感器進行改造。減振結構設計原理如圖3所示。圖3中，X1為速度位移傳感器的振動位移；X2為振動物體的振動位移；K為速度位移傳感器與振動物體連接剛度；C為磁流變減振系統的可控阻尼系數，也就是該系統中設計的被控量。

磁流變減振系統控制器的硬件原理框圖如圖4所示。

圖3 減振結構原理圖

圖4 磁流變減振系統硬件原理框圖

圖4中，當被控對象發生振動時，加速度傳感器檢測出被控物體的振動特性，然后經過信號處理環節，對所獲得的包含振動信息的傳感器信號進行分析和調理，最后送入MCU．MCU根據所接收到的振動信息進行智能決策，并產生相應的控制電壓輸出，系統將輸出電壓信號送入可控電源，最后送出一個驅動電流到磁流變減振器的勵磁線圈上形成強磁場。磁流變液在這個外加磁場的作用下，按照磁流變液的流變特性改變自身阻尼特性，對被控物體形成一個反方向的阻尼作用力，最終達到減振效果[6]。MCU可以以1MHz的頻率連續不斷地調節阻尼力的大小。通過阻尼調節，有效地過濾機械振動。

2.3 減振控制器原理

控制器的控制策略采用模糊PID開關切換控制算法[7]，其基本控制思想是在大的偏差范圍內采用模糊控制策略，而在較小的偏差范圍內轉成PID控制。模糊控制和PID控制的轉換由主控制器根據程序事先給定的偏差范圍自動實現。其控制算法實現原理如圖5所示。

圖5 模糊PID控制原理

PID控制器采用增量式的PID控制算法，模糊控制器采用雙輸入、單輸出結構。以振動方向的加速度以及其變化量作為控制器輸入量，以磁流變減振器的阻尼系數作為輸出量。

控制器采用STM32系列微控制器?？刂菩盘柌捎肞WM輸出?？刂破鬈浖糠职ㄏ到y的初始化，數據采集與處理，核心控制算法和PWM信號輸出?？刂破髦髁鞒倘鐖D6所示。

圖6 控制器程序流程圖

3 系統仿真與實驗

3.1 減振系統仿真

在Matlab平臺上對減振系統進行了數值仿真，以判定控制系統的穩定性和控制算法的可靠性。分別輸入單位階躍激勵信號和正弦激勵信號，驗證系統設計的有效性。

當系統輸入單位階躍激勵信號時，采用模糊PID控制算法的加速度響應曲線如圖7所示。系統在0.02 s左右即可達到基本穩定狀態。系統響應時間短，收斂速度快。

圖7 單位階躍激勵信號響應

當控制系統輸入激勵為正弦函數時，采用了模糊PID控制算法的加速度響應曲線如圖8所示。系統穩定性較好，振動控制效果得到明顯改善。

圖8 正弦激勵信號響應

3.2 整體系統實驗

實驗中采用400線的歐姆龍增量式編碼器，對比加上避振系統前后編碼器脈沖輸出個數，還對比不同行程下累計脈沖個數的差異，實驗結果如表1所示。由表1可以看出，加上避振系統后，脈沖計量誤差顯著降低，并且運行10 m的累計誤差控制在20個脈沖以內。如果在實際應用中，通過降低編碼器連接輪的直徑，并在軟件上進行定長校零，可將測量誤差顯著降低。

表1 整體實驗數據

4 結束語

該設計首次將磁流變減振器引入光電速度傳感器的減振設計中。磁流變減振器結構簡單、制造成本低、響應快、穩定性高。磁流變減振器已經廣泛應用于工程領域，技術成熟而且價格便宜。

該傳感器采用主動避振的方式來降低機械振動對測量的影響，使得測量精度更高，更穩定，而且其硬件成本并未顯著增加該傳感器。適用場合廣泛，可用于大型的機械設備，如港口起重機、煤礦機械等的速度位移參數精確測量。

參考文獻：

[1] 張九才，王文祥，楊顯志，等.增量式編碼器抗抖性研究.自動化儀表,2005，26(10):38-39.

[2] 劉新建，李迅，張彭.光電編碼器的誤計數抑制電路設計.測控技術，1998,17(6):54-55.

[3] 費偉忠，沈建新，周勇.增量式光電編碼器計數與接口電路的設計.微特電機，2007,35(1):17-18.

[4] 盛占石，黃賽帥，王青青.基于 STC89C52 智能計數控制.儀表技術與傳感器，2012(1):57-59.

[5] 胡紅生，蔣學爭，李延成.壓電自供能磁流變減振器設計及可控性實驗.振動測試與診斷,2013,33(4):712-718.

[6] 李華琳，陳勇，黃琦，等.基于模糊PID控制的磁流變減振控制器.兵工自動化，2010,29(10):85-88.

[7] 楊建偉，孫守光，劉海波.汽車半主動磁流變懸架的自適應相對控制研究.系統仿真學報，2011,23(9):1951-1955.