基于增量式碼盤舵片姿態的識別系統設計

劉鳳麗 李榮輝 張嘉易 郝永平

(沈陽理工大學機械工程學院 遼寧 沈陽 110159)

一、引言

隨著科學技術的不斷發展，信息化、智能化在現代戰爭中將發揮著越來越重要的作用。火炮作為傳統的武器，在現代戰爭中仍被廣泛應用，但是由于炮彈在發射后受到溫度、濕度、地理環境等因素的影響不能對目標實施精確打擊，為了增加火炮的精確打擊能力，提出了彈道修正技術的理念。彈道修正技術就是在炮彈的飛行過程中通過彈載計算機實時解算出彈體的角度、位置，計算出實際彈道。通過與理論彈道數據進行對比分析，及時調整舵機的姿態，來進行對炮彈的修正，從而減小偏差，提高精確打擊能力[1]。

在調整舵機姿態時，需要計算出舵片的實時角度、轉速以及停止角。所以為了得到舵片的姿態信息，我們利用編碼器來測量。由于光電式編碼器具有能夠準確測量角位移，高精度以及較高分辨率，因此大多數采用光電式編碼器。在刻孔方式上又分為絕對式和增量式，絕對式編碼器在每個位置都有其唯一的對應角度，無需找參考不會受到斷電影響，抗干擾能力強，其精度與條紋碼的精度有關，結構復雜。增量式碼盤的位置卻是相對的，所以需要增加一個零點位置識別，以此來標定初始位置以及記錄圈數，增量式編碼器具有結構簡單和便于實現等優點，在位置識別中具有廣泛應用。由于二維修正彈舵片內部的空間有限，故本次設計采用的是增量式編碼器。

二、光電增量式碼盤原理

增量式編碼器的單位角度與脈沖信號是一一對應的，每個脈沖信號對應一個單位角度。由于沒有參考點，所以無法判斷舵片當前的絕對位置。因此需要建立一個零點標志位，通過參考零點解算舵片當前真實角度。

增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖，由三個通道A、B、Z組成。其中把Z相作為零點標志位，舵片每旋轉一周，Z相只產生一個脈沖信號，利用光電傳感器識別舵片內部的莫列波紋，當Z相傳感器旋轉通過莫列波紋時，便將當前位置設定為初始角度0°。A、B相進行舵片角度的解算，在A、B相中兩個光電傳感器需要平行放置，且他們之間的相位差為90°[2]。兩光電傳感器相鄰間隔為N+1/2個信號格[3]。如圖1,為傳感器位置圖。

圖1 傳感器位置圖

兩光電傳感器A、B放置于舵機定子上莫列波紋放置于舵片內部，當舵片相對于定子轉動時，由于A、B相之間的相位差，會讀取到01、11、10、00四種不同編碼組合信息，由于編碼的順序是固定的，所以可以根據編碼的順序判斷出舵片旋轉方向。如表1為舵片正反轉識別。

表1 正反轉編碼圖

舵片角度的識別精度與光電增量式碼盤的分辨率有關，分辨率由光電傳感器識別能力決定，即舵片旋轉一周發出的脈沖數，單位為PPR(脈沖/秒)。本次設計中，舵片內部的莫列波紋數為120，光電編碼器的分辨率為120PPR，因為有A、B兩個相，所以共有240個邏輯組合，假設編碼器的分辨率為T，采樣數為N，舵片的角度A計算公式為：

A=N*360/2T

三、硬件設計

由于彈體內部空間有限且需要較高精度的傳感器，經過綜合信息比對，最后選用的傳感器為反射式光電傳感器，型號為ITR8307。該種型號傳感器具有體積小，質量輕，結構緊湊，響應時間快速，靈敏度高，便于安裝，受環境干擾小等特點。如圖2所示，為ITR8307型傳感器的感應特性曲線。從圖中可以看出，當莫列波紋與光電傳感器間距為0.6～0.7mm時，感光特性最好，電流百分比達到最大，經過實際測試證明，當傳感器與莫列波紋間距為0.7mm時，電壓幅值達到最大，具有最好的測試效果。

圖2 傳感器特性曲線圖

選用LM339(四路差動比較器)組成邏輯門電路。LM339具有電壓失調小，共模范圍大，對比較信號源的內阻限制很寬，電壓范圍寬，輸出端電位可靈活方便地選用，差動輸入電壓范圍很大等特點。由于本次設計只用3路邏輯電路，為了不產生信號干擾，將第4路中的管腳與GND直接相連。

如圖3是碼盤電路原理圖，由于傳感器接收與發射端都需與DSP中I/O口相連接，為了保護I/O口，傳感器兩端電壓為3.3V。在傳感器的發射端需要串聯個100Ω的電阻，以免電流過大，損壞器件。在傳感器的接收端需要串聯一個電阻，起到分壓的效果，可以調節接收端電壓的大小。經過反復試驗，電阻的阻值為15KΩ時，效果最好。將傳感器接收端與LM339的中任意一路的同相輸入端相(+)連接，與其對應的反向輸入端(-)電壓進行比較，當“+”端電壓高于“-”端電壓時，輸出高電平。當“-”端電壓高于“+”端電壓時，輸出低電平。方向輸入端即為比較電壓，為了可以方便調節比較電壓值得大小，將其串聯一個滑動變阻器，其電阻值為0-5KΩ。在輸出端與正電源之間需要接一只電阻，選用不同阻值的上拉電阻會影響輸出端電位的值。經過試驗，上拉電阻值為1KΩ時，輸出端電位值為3.3V，效果最好。

圖3 碼盤電路原理圖

四、實驗測試及結果

在碼盤測速中，一般分為三種方法：“M”法、“T”法、“M/T”法[4]。在低轉速情況下“T”法測速精度比“M”法測速精度高，高轉速下“M”法測速精度更高。在二維修正中，由于舵片的轉速是不確定的，所以前兩種方法都有一定的局限性，因此我們采用“M/T”法測速。設兩光電傳感器識別脈沖數N1和時鐘脈沖數N2，則舵片轉數公式為：

n=60 N1f/4MN2=15 N1f/MN2

如圖4所示，為“M/T”法測速原理圖，需要在DSP中多加一個定時器，在定時器時間間隔內，光電傳感器的脈沖數為N1、時鐘的脈沖數N2，將N1和N2代入舵片轉速公式中進行運算。“M/T”法消除了計數器溢出等問題，兼備“M”法和“T”法在不同轉速下的優點，解算精度較高。

圖4 “M/T”法測速原理圖

如圖5所示，是舵片以一轉每秒的轉速下勻速轉動的角度曲線圖。從圖中可以看出，在舵片旋轉的第一周內會出現亂碼的情況，此時為第一次尋找零點的時候，所以會出現角度沒有到360°時就進行清零。由于炮彈飛行前段并未進行修控，所以不會對修正效果產生影響，并不會影響角度識別。從圖中的角度變化曲線可以看出，角度在0-360-0之間均勻變化，舵片在平穩勻速轉動。

圖5 勻速轉動的角度曲線圖

如圖6所示，這是舵片在加速過程中繪制的數據曲線，從圖中可以看出舵片旋轉速度是由慢到快的。角度的變化頻率也是越來越快，圖中的曲逐漸密集，說明舵片處于加速過程中。

圖6 勻加速曲線圖

通過兩相鄰角度之間的角度差與其對應的時間就可以解算出當前舵片的轉速，通過多次測量，解算出的舵片轉速與實際轉速相一致的，該碼盤滿足本次實驗要求。

五、結束語

本文設計了基于增量式碼盤舵片姿態的識別系統，搭建了碼盤基礎電路，并進行了測試實驗，實驗結果表明，本次設計結構簡單，實用性強，并且可以有效測出舵片的角度及其轉速，具有一定的實用價值。