基于光電編碼的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程部件的開發(fā)

一、引言

    電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用于控制閥門開啟和閉合的一種電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，通過遠(yuǎn)方和就地控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對閥門的行程控制。傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中，行程部件大部分采用機(jī)械行程和限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)閥門開度的調(diào)節(jié)和限位控制，行程控制精度依賴于行程部件齒輪組的加工工藝和裝配水平，普遍存在著閥門定位精度不高的問題，而且機(jī)械式行程部件在進(jìn)行閥位調(diào)試時(shí)，需要對電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行開蓋操作，給工業(yè)現(xiàn)場安裝、調(diào)試及維護(hù)工作帶來極大的不便。光電編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化位置檢測裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。光電編碼器應(yīng)用于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一種技術(shù)上的更新與突破，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電子行程控制方式，大大提高了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程精度。

二、設(shè)計(jì)原理

1、電子行程部件設(shè)計(jì)原理

    電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的內(nèi)部包含了位置信號(hào)感應(yīng)裝置、力矩感應(yīng)裝置、邏輯控制裝置以及數(shù)字通信模塊等控制模塊，各模塊電氣控制單元由主控制器CPU統(tǒng)一調(diào)用管理。電子行程傳動(dòng)部件結(jié)構(gòu)如圖1所示。光電編碼器作為位置信號(hào)感應(yīng)裝置部件，安裝在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程軸上，行程軸另一端通過齒輪聯(lián)接到蝸輪軸上。當(dāng)電機(jī)開向或關(guān)向運(yùn)行時(shí)，蝸桿直接帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)，蝸輪的位移變化通過行程軸傳輸?shù)焦怆娋幋a器端，光電編碼器完成位移信號(hào)的檢測；檢測信號(hào)再經(jīng)過主控制器波形采集電路，由主控制器CPU讀取兩路脈沖信號(hào)，通過計(jì)算光電編碼器每秒種輸出的脈沖的個(gè)數(shù)，即可轉(zhuǎn)換成當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行速度；此外，通過捕捉兩路相位相差90°的脈沖信號(hào)，并在主控制器CPU的中斷程序里對兩路脈沖信號(hào)進(jìn)行脈寬計(jì)數(shù)和脈沖波形變化判斷，可以對電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度、位移變化及旋轉(zhuǎn)方向做出判斷和處理。另外，在切除電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)外部動(dòng)力電源的情況下，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)手輪時(shí)，光電編碼器仍能保持行程計(jì)數(shù)功能，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備斷電閥位保持功能。

2、光電編碼器設(shè)計(jì)

    光電編碼器作為電子行程位置感應(yīng)裝置，是一種集光、電一體，將旋轉(zhuǎn)位移、速度等物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的位置速度傳感器。光電編碼器采用相對編碼計(jì)數(shù)，輸出脈沖信號(hào)采用32位CPU芯片進(jìn)行處理，使得電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用于多回轉(zhuǎn)、大行程的閥門裝置中。根據(jù)DL/T641-2005《電站閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)》標(biāo)準(zhǔn)要求，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程重復(fù)偏差：≤±5°（多回轉(zhuǎn)），≤±1°（部分回轉(zhuǎn)）。光電編碼器中光柵盤采用低線數(shù)45線設(shè)計(jì)。根據(jù)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，產(chǎn)生脈沖個(gè)數(shù)為360個(gè)，使得電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程控制精度保持在1°，符合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。

    光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通45個(gè)長方形孔；光電檢測裝置由直射式紅外光電傳感器電路部分組成。圓形光柵盤安裝在直射式紅外光電傳感器當(dāng)中，每圈設(shè)計(jì)成45個(gè)筋、45個(gè)孔，如圖2所示。光柵盤由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)筋孔交替切割紅外傳感器，產(chǎn)生兩路類似正弦波的脈沖信號(hào)，經(jīng)整形電路對該波形處理，zui終輸出兩路方波信號(hào)。光電編碼器安裝如圖3所示。

    當(dāng)電機(jī)開、關(guān)向運(yùn)行，閥位發(fā)生變化時(shí)，光柵盤同步進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，光電編碼器輸出兩路正交脈沖，脈沖信號(hào)如圖4所示。

二、電路設(shè)計(jì)

1、光編信號(hào)產(chǎn)生電路

    光電編碼器波形產(chǎn)生電路如圖5所示。N2為光電傳感器，采用雙光電晶體管，光束中心間距為0.7mm，它們的節(jié)距和光柵盤上的節(jié)距相等，兩組透光縫隙錯(cuò)開1/4節(jié)距，使得雙光電二極管輸出的脈沖信號(hào)在相位上相差90°電度角。波形采集電路輸入端電阻R1、R2阻值為330Ω，傳感器負(fù)載電阻R3、R4阻值為1.5kΩ。在光柵盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過程中，光電傳感器位置固定不動(dòng)，光線透過光柵盤間斷、交替地穿過雙晶體管，產(chǎn)生兩路相位相差90°的脈沖信號(hào)。

2、光編信號(hào)采集電路

    波形產(chǎn)生電路輸出的兩路脈沖信號(hào)，需要經(jīng)過整形電路進(jìn)行波形整形，經(jīng)過思密特雙非門整形后，在三極管Q3、Q4集電輸出脈沖方波。波形整形電路如圖6所示。

3、光編信號(hào)采集電路

    光電編碼器輸出的兩路位置檢測信號(hào)，經(jīng)過整形電路整形后，傳送至電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主控制器CPU端口。主CPU通過端口中斷方式，在兩路脈沖信號(hào)每次發(fā)生跳變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一次端口中斷，由CPU中斷處理程序完成一次脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)和方向判斷。光電編碼器結(jié)構(gòu)簡單，信號(hào)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理比較容易，但在主電源斷電情況下，需要電池供電保持閥位計(jì)數(shù)，一旦電池電壓過低或無法供電，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位容易丟失，給現(xiàn)場生產(chǎn)運(yùn)行帶來不便。所以在光編信號(hào)采集電路中設(shè)計(jì)了電池省電方式，當(dāng)主電源停止供電時(shí)，主CPU自動(dòng)切換至低功耗工作方式，同時(shí)關(guān)閉光電編碼器供電電源。為保證主電源斷電過程中閥位計(jì)數(shù)功能，采用20ms定時(shí)喚醒方式，每隔20ms打開一次光電編碼器電源開關(guān)，判斷閥位是否發(fā)生變化。圖7為光編信號(hào)采集電路，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，BMQ_C引腳輸出低電平，三極管Q102導(dǎo)通，V9XX為光電編碼器供電。當(dāng)主電源停止供電時(shí)BMQ_C引腳輸出高電平，三極管Q102關(guān)閉，光電編碼器供電電源斷開，進(jìn)入省電模式。

    在光編信號(hào)采集電路中，主控制CPU通過采集兩路脈沖信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和方向判斷，計(jì)算出當(dāng)前閥位狀態(tài)，然后通過串行總線，將閥位數(shù)據(jù)傳送至人機(jī)對話模塊，通過人機(jī)界面顯示出當(dāng)前閥位狀態(tài)。

三、應(yīng)用

1、出現(xiàn)的問題

    電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸轉(zhuǎn)速范圍一般為5～160r/min。不同規(guī)格型號(hào)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其轉(zhuǎn)速相差較大。對于高轉(zhuǎn)速型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出軸輸出速度較快，光電編碼器的光柵盤隨之高速旋轉(zhuǎn)，使得光電編碼器輸出的波形受到雙二極管通斷速度的影響，變?yōu)椴焕硐氲拿}沖方波，導(dǎo)致光電編碼器在高速運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)性能不穩(wěn)定情況。

2、問題分析

    不同條件下（波形產(chǎn)生電路R3、R4阻值變化）的波形采集圖如圖8所示。

    從采集波形可以看出，光電編碼器輸出端信號(hào)的下降沿隨著信號(hào)產(chǎn)生電路上R3、R4阻值的增大變得越來越平緩，經(jīng)過雙非門U1整形后，光電編碼器輸出端波形的高電平寬度變寬，低電平寬度變窄。這是因?yàn)樵?V供電條件下，雙非門U1的高電平門檻電壓VT+約為3V，低電平門檻電壓VT-約為1.7V（雙非門工作原理如圖9所示），所以當(dāng)光電編碼器輸出端信號(hào)的下降沿越來越平緩時(shí)，電壓下降時(shí)間也隨之增加，雙非門U1的輸出端信號(hào)的低電平時(shí)間會(huì)變長，即低電平寬度變寬，高電平寬度變窄。雙非門U1的輸出端信號(hào)還要經(jīng)過一個(gè)三極管反向后輸出到光電編碼器輸出端，所以，此時(shí)編碼器輸出端信號(hào)的高電平寬度變寬，低電平寬度變窄。受此影響，光電編碼器兩路輸出信號(hào)形成的相交脈沖信號(hào)也比較窄，這樣就很容易造成光編信號(hào)采集端信號(hào)采集困難或造成脈沖信號(hào)丟失。從圖上數(shù)據(jù)分析，當(dāng)R3=R4=5.1K時(shí)，相交脈沖信號(hào)間隔時(shí)間約為50μs，此時(shí)光柵盤轉(zhuǎn)速約為1875r/min，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2500r/min甚至更高時(shí)，間隔時(shí)間更短，從而影響CPU中斷讀取時(shí)間，造成數(shù)據(jù)丟失。因此，傳感器輸出端電阻R3、R4阻值取值不能太大。

    另外，根據(jù)電路分析及采集信號(hào)圖，光電編碼器器輸出端信號(hào)的電壓峰值隨著R3、R4阻值的減小而變小。由圖8（a）可以看到，當(dāng)R3=R4=1K時(shí)，VR3、VR4約為4.1V，但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，R3=R4=1K時(shí)，VR3、VR4有時(shí)不能達(dá)到2.7V，即達(dá)不到雙非門U1的門檻電壓VT+，所以會(huì)造成光電編碼器沒有信號(hào)輸出。在同樣的條件下之所以會(huì)出現(xiàn)兩種不同的結(jié)果，是因?yàn)槠骷碾x散性造成的，傳感器的輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，所以傳感器的輸出效果跟器件本身有很大的關(guān)系，即同一器件在同一條件下有可能產(chǎn)生不同的模擬信號(hào)，雙非門U1輸出端的信號(hào)就會(huì)隨之變化，如果相差較大，那么得到的結(jié)果也會(huì)有較大區(qū)別。因此，傳感器輸出端電阻R3、R4阻值取值也不能太小。另外，從圖8（b）、（c）中可以觀察到，當(dāng)R3=2.2K、R4=2.2K時(shí)，VR3、VR4約為4.4V；R3、R4取值大于2.2K時(shí)，VR3、VR4也都約為4.5V。

    綜合分析考慮，為適應(yīng)高速型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和不同的電源供電方式（5VDC、3.3VDC），光電編碼器信號(hào)產(chǎn)生電路R3、R4阻值大小設(shè)置為1.5K較為合適。

四、結(jié)語

    采用光電編碼器作為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程檢測部件，使電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電子式行程設(shè)計(jì)，提高了閥門行程精度和閥位分辨率，實(shí)現(xiàn)了閥門的定位，有效地簡化了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)試過程，提高了現(xiàn)場調(diào)試效率，方便現(xiàn)場維護(hù)。