淺談基于CPLD的G.D伺服的抗干擾系統設計

李華文，倪駿，程倩

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司昆明卷煙廠，云南 昆明 650202）

隨著現代智能化的進步，現代工業發展中，伺服電機的精準度標志著一個國家的工業和科學技術水平是否先進。我國的伺服控制系統雖然發展迅速，但是和國外的伺服控制系統比還有很大的差距；差距表現在響應頻率方面，我國伺服電機的響頻率幾乎只能達到國外的一半；還有就是控制核心，控制核心基本還是依靠國外進口；另外，就是穩定性。昆明卷煙廠的卷包機G.D控制伺服系統是全廠對伺服控制穩定性和精度要求最高的地方。由于使用年限比較長，并且各種線路老化造成伺服控制系統受到各種干擾信號的干擾，對系統穩定性造成巨大影響；無論伺服系統采用速度控制還是采用位置控制，速度反饋信號都在這兩種伺服閉環控制系統中起著很重要的作用，而CPLD主要就是速度反饋信號采集和處理，所以，通過更換CPLD提高速度反饋信號的精度，提高G.D伺服的抗干擾性能。

1 CPLD選擇設計

1.1 編碼器選擇

對于伺服測速信號，必須滿足極高的更新速度和極高的測試精度，光電編碼器正好能滿足這兩種要求，所以，速度反饋中的傳感器通常選用光電編碼器。編碼器通過A、B、Z三個脈沖來實現，A相脈沖主要是用來做計數脈沖用的，A相脈沖所對應的B脈沖主要是用來作為鑒相脈沖用的，就是用來確定所對應的編碼器的旋轉方向的。如果A相脈沖的相序滯后B相脈沖相序90°時，這時編碼器翻轉；如果A相脈沖超過B相脈沖90°時，這時候編碼器正轉。除了A、B脈沖還有Z相脈沖，它是表示編碼器零位的方式。

1.2 M法測速

M法測速度反饋就是就是測頻法，它的原理就是在固定時間內對輸出的A、B兩相脈沖進行個數統計，然后，依據統計出來脈沖個數的數量確定在所測時間內的轉軸平均速度的準確值。以下是它的速度計數公式：

式中，nM表電機的轉速（r/min）；P表示編碼器的線數；TS表示脈沖計數時間（s）；m1為測速時間內的編碼器脈沖數量。

1.3 CPLD測速原理

由于直接檢測脈沖雖然方法簡單，但是，伺服電機在低速運轉的情況下，結果更新很慢，所以運算量就會變得很大，使得CPLD難以實現運算處理，所以，將對CPLD中高精度和高速的方案進行改進，這樣加快起結果刷新速度，以提高速度反饋信號的準確度。

我們可以把選取一個閥門作為參考，它是一個方波，它的占空比為50%，我們只是假定高電平，實際情況是它的高電平期間并不是實際的閥門時間。開始計數的開始端是參考閥門高電平期間的第一個脈沖，從第一個脈沖開始計數，計數結束端是參考閥門的低電平期間的第一個上升沿，到達后立即停止計數；開始端到停止端之間時間就是實際的測速時間，這樣就可以確保被測編碼器信號是一個完整的計數周期。通過以上的理論原理簡介，從而我們可以知道：參考閥門時間是一個固定值，它不會因為情況不一樣發生改變。伺服在低速運轉的時候，往往會發生在參考閥門低電平期間，沒有信號的上升沿這種情況，這種情況會使得測速時間變長，從而減小更新時間；伺服在中高速運轉期間，伺服速度變化變得比較快，并且參考閥門的低電平時間非常久，從而使得更新速度變得非常慢。導致參考閥門在中高速時低電平與高電平時間都變得比較短。這時，高電平時間大約是0.2ms，此時，測速時間也同樣基本等于0.2ms；在伺服低速運轉情況下，低電平與高電平時間也同樣發生相同變化，時間都適量地變長，從而導致參考閥門的占空比小于它本來的基準值50%，這時，測速時間基本為0.3ms，如果想解決低速時出現測量多個脈沖從而會導致測量時間增加的問題，并且時間脈沖的計時不利用采用分頻計數，一般都是直接對高頻時鐘進行計數，這樣也會帶來缺點，那就是使計數的字長變得更長，雖然字數變長，但這樣也會使得計數精度會大大提高，然后，通過CPLD計算，改進的高速、高精度、連續測量方法就會提高速度的測量精度以及更新速度，而速度計算公式不變原理圖如圖1所示：

圖1 CPLD測速原理

2 抗干擾

2.1 抗干擾原理

伺服系統反饋信號需要極高的精度，所以，我們在實際生產中，必須考慮速度反饋信號中的干擾信號部分。速度反饋是常用的反饋信號，但是，它的干擾會使得編碼器在計數時的時候導致脈沖計數值提高，從而使得速度反饋信號的測量值與實際值結果不符，所以，對系統的穩定性造成影響。所以，我們采用閉環控制降低干擾。

2.2 反饋信號干擾來源

伺服電機運用的地方，往往都有大型的設備，導致伺服系統發生振動，使編碼器也發生抖動，就會產生誤碼脈沖。伺服電機在方向切換頻率高和速度比較低的場合時，編碼器的碼盤縫隙邊緣會隨著伺服電機一起出現小晃動，這種晃動頻率比較高，這樣就及易產生干擾，A、B之間相差的90°的相位關系在抖動的情況下是固定的，干擾信號使這種相位關系發生改變，抖動會讓編碼器誤認為是計數脈沖，使得計數結果偏高，從而造成速度測量結果與實際情況不一致。

在速度傳輸過程中，也可能出現隨機的共模及差模信號。屏蔽及硬件之間隔離技術在硬件抗干擾上都被采用來對伺服系統反饋信號進行干擾處理。可是，伺服系統在運行過程中會出現電磁干擾，或者少數誤操作情況，這些都會隨機出現，從而對伺服速度反饋信號發生干擾。

2.3 干擾信號分類

含偽干擾脈沖的干擾信號和含偽干擾脈沖的干擾信號是常見的兩種干擾信。同方向含偽干擾脈沖的干擾信號和反方向的含偽干擾脈沖的干擾信號又是常見的兩種含偽干擾脈沖信號。

2.4 干擾信號處理

碼盤縫隙邊緣引起的干擾信號的濾除原理：濾除編碼器信號就是一種邊沿信號，產生的感染也會是邊沿干擾信號，所以，整個系統就是對部分含偽干擾脈沖的干擾信號進行濾除。并且，在引入了方向信號這種判斷條件的情況下，整個CPLD和DSP結合起來，會對濾除反方向含偽干擾脈沖干擾信號起著很大的作用。

本次通過改進后的GPLD對干擾信號進行過濾，然后，通過GPLD和DSP相結合，在信號傳到DSP之前，經過GPLD的時候，就將無偽干擾信號和含偽干擾信號進行處理，雖然不能完全消除干擾信號，但是，可以減少大部分干擾信號。

如下列這種情況：當伺服電機沿著正方向旋轉時，假定這時不存在干擾，那么A、B的電平狀態會根據隨機干擾信號的濾除原理和碼盤縫隙邊緣引起的干擾信號的濾除原理，這樣就會使得CPLD發揮作用，在CPLD 中完成碼盤縫隙邊緣引起的干擾信號的濾除和無偽干擾脈沖的干擾濾除。

3 實驗結果分析

本次實驗采用示波器分別采集A、B兩相反饋信號波形圖，來比較實驗結果：

圖2 未使用改進GPLD波形圖

圖3 使用改進GPLD波形圖

可以看出，通過使用改進后的系統，干擾明顯減少。

4 結語

本次通過對伺服系統GPLD的改進，可以看到實驗結果得到明顯改善，干擾信號變少，提高了G.D伺服的抗干擾性能，從而提高了整套系統的性能。