傳統光電編碼器防震動抗干擾電路的優化

祝榮財

浙江華東機電工程有限公司，浙江杭州，311228

0 引言

傳統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械位移變換成數字或模擬信號的一種光電變換技術。隨著科學技術的進步，光電子編碼技術已被越來越多地投入使用[1]。傳統光電編碼器在各種復雜的環境中得到了廣泛的應用，并且在實際應用過程中已取得了較好的結果。但是，在實際使用中發現它在震動干擾環境下存在一些誤差。本文對光電編碼器計數誤差的成因進行了分析，并針對光電編碼器常規抗干擾電路的不足，提出了相應的改進措施。

1 傳統光電編碼器工作原理

傳統光電編碼器通過光、機、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換進行脈沖或數字量檢測的裝置，通過輸出轉換數據，形成機械幾何位移量，從而轉換成相應的電脈沖或數字量，傳統光電編碼器當前已經廣泛應用于數控機床、機器人的裝置和設備中。在醫藥、工業、商業、交通等領域得到了廣泛的應用，使社會的各行各業的工業設備水平得到了極大的提升[2]。在傳統光電子編碼器的數據采集與處理中，將tim3的ch1、ch2連接到編碼器A、B，并采用正交法進行編碼。通過這種方式可以消除計時器的錯誤，并實現編碼器的信息重置保證運行安全。目前廣泛使用的光學編碼器件包括：碼板、接收機、放大機等。為方便研究者對傳統光電編碼器工作原理進行展示分析，具體如圖1所示。

傳統光電編碼器由機械、控制、人機交互、電源、通信等模塊構成?；陔姍C或機械軸轉動，編碼器采用單片機實現與PC機進行通信，并對利用編碼器進行數據讀出和處理數據。傳統光電編碼器的機械構造有：光電主體和底座，編碼器和裝配夾具，耦合器，步進電機和底座，基準編碼器，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模式對轉換數據的讀出與分析進行了完善。結合RS-485，采用了一個簡單的通信接口對差動信號進行識別，該設備模塊的設計對傳統光電編碼器共模干擾有很好的抑制作用。由于在傳統光電編碼器運行過程中，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。由此可以降低由于端子的不正確匹配造成的錯誤[3]。傳統光電編碼器MAX485的接收機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 傳統防震動抗干擾電路設備結構

傳統光電編碼器干擾脈沖的種類繁多，但主要干擾分為兩種：①機械震動引起的規律性擾動；②電磁干擾引起的不規則震動[4]。傳統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。以正向計數器為例：如果編碼器在一定時間內會產生機械震動，而在另外一階段則無脈沖，其模擬波形如圖2所示。

在傳統光電編碼器機械震動干擾的情況下，本文對傳統光電編碼器工作原理進行了研究，得到了在每一次脈沖前向計數后，把編碼板看作是無幾何偏差的數據，也就是說，傳統光電編碼器運行不會產生一個計數脈沖，否則就會產生錯誤，導致測量值比實際值大的問題。進一步對電磁干擾引起的不規則震動所造成的異常波形進行了分析。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出現的干擾，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A相脈沖臨近結束時，出現第二種干擾，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生震動[5]。通過對上述錯誤計數的成因分析，得出了造成錯誤計數的主要原因是計數脈沖的頻繁生成，并且在錯誤計數脈沖發生后沒有進行任何處理?；诖?，為解決上述問題，參考了傳統電路的思路，即通過上下沿的結合，生成一個標準的計數脈沖調控體系。但是，由于干擾信號具有不規則性，根據標準的計數脈沖特性，需要反向計數器消除正負信號，減少計數脈沖，從而有效抑制錯誤計數。在傳統光電編碼器設備中，碼盤是最關鍵的部件，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動而轉動。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。當光源經過碼盤和分尺后會出現一定的角度的變化，此時光電接收機將變化數據讀出，從而將其轉化為電子信號，該電子信號經過放大電路后輸入到數據系統中。單片機收集到相關的數據后，將該數據進行二進制處理，從而轉化為天然二進制碼。在此基礎上，將原始二進制碼進行轉換處理，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方法

近幾年，隨著工業生產的自動化水平的提高，各個行業對光電編碼器性能的要求也越來越高，為適應市場需要，逐漸形成標準化、系統化的電路生產模式，并不斷研發出多種型號的編碼器，以滿足用戶的需要，產品的精密程度也得到了進一步的改善。

目前，國外已經成功地開發出了高精度、小體積的反射型光電編碼器，但在我國，關于小型光電編碼器的研究還很少。因此，開發小尺寸的光編碼設備將成為今后研究的重點。由于光電編碼器的工作環境往往比較復雜。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，也是今后的發展重點。

由于光電編碼器電路中，改進生成誤計數的條件是很容易滿足的，只需要在錯誤脈沖發生后進行識別處理，將新的計數脈沖由上、下兩條線合并以此實現改進目標。當計算干擾脈沖時，會產生反向脈沖，此時需要采用可逆計數技術，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。但傳統的光電編碼器抗干擾電路因其具有不規則的特性和局限性，在干擾脈沖和傳統脈沖間隔比計數脈沖小的情況下，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?；诖丝衫糜嫈灯鞯挠嫈捣?，消除正、負脈沖，以此在一定程度上消除誤差。在可逆計數器中，由于反脈沖的存在量相對較大，會導致正脈沖的消失，從而導致干擾電路中計數的脈沖偏離真實的數值基于此應利用光電解碼器進行干擾數據清洗。這種光電解碼器既能直接測量斜向位移，又能實現對軸的旋轉速度的準確測量。通過該方法，可以對實際的軸向旋轉速度進行測量和調整。軸向速度的測定采用了脈沖計數法，以一定時期內測定脈沖數量作為指標進行標準對照和調控管理，這種方法主要是利用兩個相鄰脈沖的時間來實現對主軸的旋轉速度的測量。從而很好地解決高速旋轉的問題。一般采用此方法來測定轉速很高的軸。若轉速過低，則該方法的計數值會過小，從而影響測量精度，故在實際應用中要特別重視。

在絕對編碼器中，每一個模塊都有一段運行編碼，如果是同軸的話，就會有對應的相似編碼?；诖?，在運行過程中可以采用自編網絡的失效檢測技術對編碼器故障進行識別和分級，獲取電磁信號的影響而獲得變壓器的失效數據并采用不同的色彩標識進行預警。通過對變壓器失效預警級別的分類，將設備參數和網絡運行狀態的信息保存在數據層面，并給出調整數據參照指標，并通過自編網絡的錯誤檢測技術對未標記的數據進行提示。當一個工作站被轉移到一個加工位置時，該編碼程序將向該控制系統輸出對應的代碼。比如：4#工作臺上的零件要被移動到工作臺上，由電機帶動，同時，它的編碼也會隨著時間的推移而變化，假設1#工作臺的二進制編碼為“0000”，3#工作臺的“0100”變為“0110”，說明4#工作臺被轉到了加工點，此時，就會自動停止旋轉。

有界激勵信號的穩定性決定編碼器的有界響應。就電路的穩定性而言，有界激勵信號當接近無窮大時，電流和電壓都會產生不穩定的情況，因此需要進行約束，使之逐漸趨于穩定。在電路分析和設計中，穩定性是關鍵，也是最應該優先考慮的問題。光電編碼器的穩定性取決于電路的結構和參數，而不取決于其本身的特性。因此編碼器產生異常錯誤的原因主要有：電磁干擾、產生干擾脈沖以及機械震動時碼盤的前后震動干擾。為此，本文設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行抗干擾和調控。同時采用編程的方法，可以完成取樣循環和取樣窗的功能。假設當輸入信號以n個相同的低電平連續采樣時，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，在連續取樣前，將其看作高電平。在抗干擾器的電路設計中，利用時鐘信號CLK計數方式設定取樣時間、取樣窗尺寸，以達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，但會受到機械震動的影響。所以，在此基礎上，必須進行光電編碼器結構抗震設計。

為分析機械震動的震動波形，采用正、反向抗震技術對脈沖信號進行消解。電路的相位噪聲導頻是衡量編碼器工作所需要的匹配信道數量和性能的一個重要參數。在編碼器正常工作過程中，采用主客戶機作為啟動程序。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。在系統降噪命令中，通過對單端差分電子設備的輸出進行調整，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，并依據實際的功率消耗來決定最優的噪聲狀況。在DSP電路維持標準相位噪聲的情況下，FPGA會生成兩個互不沖突的信號，并將其傳輸至兩個不同的執行元件。在差分電路中，隨著工作時間的累積，會累積相位噪聲，導致被消除的信號會在預定的路徑上循環，直至徹底地消除了系統中的相位脈沖。在這種情況下，信號的實際位置在系統的硬件運行架構之外?；诖诵枰獙η?、后兩種振型進行分析，從而得到對應的正、反向計數脈沖的邏輯關系。比如，當一個機器在轉動時，由于光電編碼器的轉動而產生了震動。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，將脈沖信號進行分解，以進行機械震動的波形分析。在電路中，相位噪聲導頻是測量系統匹配信道數目和性能的一個重要指標。在一般的操作過程中，客戶機主要起到引導作用。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，將所有的設備運行的周期數據引入到平行相噪聲濾波器中進行降噪處理。在系統降噪過程中，并行噪聲濾波是實現降噪的重要環節。通過對光電編碼器設備的輸出數值進行調整，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，并依據實際功率消耗來決定最優的噪聲狀況。在DSP電路維持標準相位噪聲的情況下，fgpa會生成兩個非沖突的信號，并將其傳輸給兩個不同的執行機構。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定的通路循環，直至徹底消除該系統的相位噪聲。本電路主要對前、后兩種振型進行分析，從邏輯上導出了對應的正、反向計數脈沖。比如，在轉動時，由于光電編碼器的轉動，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行過濾的優勢，可以有效地避免因脈寬造成的差錯計數。因為寬頻識別是用程序來完成的，所以只有在各種復雜的脈沖時，才能調節程序門限，也就是可以調節脈寬。同時，這種方法能很好地克服由于震動造成的數字誤差。該電路以CPLD為邏輯電路。維護簡便，適用范圍更廣。

4 結論

要拓寬傳統光電編碼技術的應用領域、優化光電編碼器的防震動抗干擾性能，必須在理論上進行深入的研究，并對其進行改進和完善。我們不但要拓展編碼器的使用領域，更要把編碼器的誤差降到最小，這對于促進光電編碼技術的發展是非常有意義的。