正交編碼位置檢測系統研究

劉 庚，何 娜，芮萬智

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033）

正交編碼位置檢測系統研究

劉 庚，何 娜，芮萬智

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033）

電磁發射裝置對位置檢測系統有高可靠性和高分辨率等要求，正交編碼算法可以很好地滿足這些要求。本文設計了一套由互為冗余的2組正交編碼組合而成的位置檢測系統及其脈沖信號處理規則，研究了正常正交編碼信號的特征，分析了常見的異常脈沖信號特點并提出了異常脈沖的判斷條件。

位置檢測 正交編碼算法 脈沖信號 異常脈沖信號

0 引言

電磁發射裝置[1-3]可以利用直線電機產生的電磁力，按照提前設定的軌跡曲線，在有限的沖程和較短的時間內將負載加速到設定速度。電磁發射系統可以視為一個伺服系統，其控制策略是帶位置反饋的PID閉環控制[4-6]，該系統對于發射過程中的動子位置、速度和加速度都有很高的要求。因此，電磁發射系統需要一套可靠性高，冗余性好，分辨率高的位置檢測系統。

本文設計分析了一種基于正交編碼的位置檢測系統[7]。該系統由互為冗余的2組正交編碼組合而成，并通過特殊的控制策略提高了系統可靠性、冗余性和檢測分辨率。

1 基于編碼器的位置檢測系統原理

該系統由編碼器、傳感器模塊、控制模塊以及計算中心四部分組成，如圖1所示。動子上帶有由非金屬的基體和金屬編碼齒組成的編碼器。當編碼器隨著動子運動時，編碼齒會周期性地進入和離開傳感器的感應范圍，此時傳感器連續輸出脈沖信號，調整對應傳感器的間距可以使兩路脈沖信號正交。直線電機定子長度通常遠大于動子的長度[8]，需要沿定子的長度方向布置多個等距的傳感器模塊，模塊間距須小于編碼器長度，以保證了脈沖信號的連續性。不同傳感器模塊的脈沖信號由控制模塊通過“或”運算進行整合，這樣在動子運動的全過程控制模塊都能夠輸出連續的正交信號。最后，控制模塊將整合后的正交信號傳遞給計算中心，計算中心使用正交編碼算法得到動子的位置。

圖1 系統原理圖

2 正交編碼位置檢測系統的設計

本文使用正交編碼算法分別對兩組脈沖信號進行處理，每組脈沖信號由每個傳感器模塊內平行布置的兩個傳感器輸出的兩路正交信號組成，如圖2所示。正交編碼算法可以檢測動子運動的位置信息和方向信息，并且可以提高系統的位置檢測精度。其位置信息計算方式如圖3所示，正交編碼狀態機沿著正方向01→00→10→11→01變化時，每變化一次，脈沖計數加1，而當狀態機沿著反方向01→11→10→00→01變化一次則脈沖計數減1。如果狀態機出現除上述變化以外的跳變時，脈沖計數不變。調整傳感器位置，使四路脈沖信號滿足1、3兩路相信號互正交，2、4兩路信號相互正交，四路信號相位差分別為45°。本文采用2對互為冗余的正交編碼信號，不僅可以提高檢測的精度，且在某一路信號發生故障時，系統可以轉入單精度模式繼續進行電磁發射。

圖2 正交編碼脈沖

圖3 正交編碼狀態機

3 正常正交編碼信號特征

當位置檢測系統正常工作時，輸出4路依次相差45度的位置脈沖。在位置數據采集器內對其進行處理時，由上文的正交編碼脈沖的計數方法分別對1、3兩路信號和2、4兩路信號兩對正交編碼脈沖分別進行脈沖計數，由于每次發射動子起始位置不完全一致，導致具體脈沖計數特點的不同，本文假設動子停止運動時都處于低電平狀態，將起始位置分為八種情況進行分析，如圖4所示。在位置檢測系統正常工作時，2組正交編碼的計數時刻不同，但在任意時刻，兩組正交編碼的計數值之差一定小于等于1，如表1所示。動子停止運動位置的不同也會影響正交編碼計數，但其計算結果同樣滿足以上結論。

圖 4 八種動子起始位置

表1 正交編碼計數特點

正交編碼計數特征可以用于判斷位置檢測系統是否出現錯誤，而要通過所采集到的位置脈沖來判斷位置檢測系統的具體工作狀態則需要定義其他判斷標準：占空比、相位差和正交度，其中正交度是評價位置信號是否正常的最終標準。

圖.5正交編碼脈沖特征

如圖5所示，1通道信號的占空比D1定義為：

1、3兩路信號的相位差θΔ定義為：

1、3兩路信號的下降沿正交度Qa和上升沿正交度Qb定義為：

在正交編碼位置檢測系統設計的時候，最理想的信號特性為：D=50%，θΔ=90°，Qa=Qb=90°。在實際電磁發射過程中，只要當Qa和Qb滿足0°＜Qa＜180°且0°＜Qb＜180°，此時3通道信號的跳變沿分別位于1通道信號相鄰兩個跳變沿之間，此時兩路信號具有正交性，可以對其進行正交計算，位置檢測系統正常工作。

4 常見異常脈沖及其判斷條件

受到外界環境的各種因素干擾，位置檢測系統的正交脈沖不可能完全是理想脈沖，最常出現的兩種異常脈沖為：窄干擾脈沖和正交度異常。

如圖6所示，窄干擾脈沖是異常出現的寬度很小的干擾脈沖信號。由于正交編碼的計算方法并非簡單的累加脈沖，所以窄干擾脈沖不一定會影響其最終的計數。根據圖3所示的正交編碼狀態機，窄干擾脈沖1出現時，造成了正交脈沖改變10→00→01→11，正交編碼錯誤地減小三個計數；窄干擾脈沖2出現時，引起了正交脈沖改變01→11→01，正交編碼計數很快被修正。通過分析可知，當某通道（如1通道）出現窄干擾脈沖時，如果與其對應正交的通道（即3通道）的電平保持不變，這個窄干擾脈沖就不會影響最終的計數，而這種情況下必然在任意時刻有此時位置檢測系統可以正常工作，否則正交編碼會發生錯誤。

圖6 窄干擾脈沖時的位置脈沖

圖7 正交度異常信號，Qa＜0

正交編碼位置檢測系統要求相對應的兩路信號正交度處于區間(0,180)內，如果正交度超出本區間則會出現位置信號報錯，以下降沿正交度Qa為例，主要有以下兩種情況。一種情況如圖7所示，電磁發射系統處于正方向移動而aΔ為負，此時根據公式（3），下降沿正交度Qa為負，位置檢測系統報錯；另一種情況如圖8所示，電磁發射系統處于正方向移動而Δa＞a1，此時根據公式（3），下降沿正交度Qa＞180°，位置檢測系統報錯。

圖8 正交度異常信號Qa＞180°

5 結束語

本文基于電磁發射裝置對位置檢測系統的要求，設計了一種正交編碼算法規則，分析了其正常脈沖與常見異常脈沖的特點，提出了異常脈沖的判斷標準，為下一步優化算法，處理異常脈沖打下理論基礎。

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Position Measurement Based on Quadrature Encoder Principle

Liu Geng, He Na, Rui Wanzhi

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Electromagnetic aircraft launch system requires a position measurement system with high reliability and resolution, and quadrature encoder principle can meet these requirements. In this paper, one kind of pulse signal processing rule based on two pairs of quadrature encoder is designed. Characteristics of normal and error quadrature encoder signals are studied. Criteria to judge whether error signals exist are proposed.

position measurement; quadrature encoder principle; characteristics of signals; error quadrature encoder signals

TM93

A

1003-4862（2016）12-0025-03

2016-07-19

劉庚(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。