时间：2023-05-29 17:30:01
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇光电编码器，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词 码盘;稳定性;精度;环境适应性
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）21-0018-02
光电编码器具有广阔的应用前景，其在精密机床数控、精确测角等领域发挥了巨大的作用。随着材料科学的发展，光电编码器码盘材料得到了提高，从而拓宽了光电编码器的应用领域，在恶劣、振动条件下应用范围得到了扩展。
1 结构及工作原理
光电编码器是一个包含光机电三大领域技术的综合系统，由数据采集和数据处理装置组成。
安装时码盘与电机同轴，当电机旋转时，码盘与电机就会相应的同速旋转，经发光、接收管组成的数据采集装置在机械位移中，转换成若干个光电信号，经单片机逻辑处理，输出相应脉冲。
1）主体。采用光、机、电一体，全封闭结构。外壳选择铸铝成型，优点：具有强度高及防腐蚀性能好的特点，如图1所示。
图1 光电编码器整体结构图
2）码盘。光栅盘是在一定直径的金属片上开通若干个等分的长方形孔，以通和不通刻线，分别代表数字量的“1”和“0”。
用玻璃码盘或塑料码盘，导致数据采集装置和数据处理装置不能可靠的接收到光信号，不能准确传递速度反馈信息，使调速系统的信号与实际值出现偏差，导致系统误动作，而引发生产事故。码盘选择低膨胀系数的金属片制成。优点：在高温环境下不变形，并具有抗冲击、抗振动能力，如图2所示。
图2 光电编码器金属码盘
2 技术改进措施
1）获取A、B相信号。将机械轴上的几何位移量，转换成数字信息量的过程，是由光电变换信号产生的，处理光电编码器光电变换过程，是系统重要环节。
①“田”字排列光电接收器。
光敏器件是将光信息转换成电信息（即通过光信号产生受控电信号）的器件。采用光敏器件为田字排列整体封装，如图3所示。
0 90
270 180
图3 双排布局裂相指示光栅示意图。
田字排列的四裂相接收器，在光电编码器应用中，称之为四裂相读取法，在码盘与光源相对位移中，可以准确获取四路各相差90°度正弦信号。其特点是：对照明不均匀有部分补充作用，可以消除轴系晃动、码盘安装偏心、刻划半径不等以及某些不对称变形引起的数据误差。
②安装四相线光电接收器。
本文方法是将一个设计好光路的凸型透镜与四相线光电接收器固定在一基座上，不采用指示光栅，克服了传统光电编码器的易受干扰缺点。
发光管发出的光，通过光栅经透镜，光电接收器上直接裂相，获取四路相差90°度的正弦信号。通过差分放大电路，变成两路相差90°度的正弦SIN与余弦COS波形，如图4所示。
图4 输出波形图
2）获取零位脉冲信号。传统光电编码器莫尔条纹通常是由两块光栅叠加形成的，光栅固定在主轴上随之一起移动，指示光栅与基座固定在一起。由于光束透过光栅及指示光栅过程中，必然存在杂光，所以接收管输出带有不同程度的残余电压，也称之为次峰，在不同环境下，会产生计数错误，造成零位误差。本文是不要指示光栅，而将两个光电接收管粘合，与基座固定在一起。发光管发出的光，通过光栅直接裂相获取两路相差45°的零位脉冲信号。如图5所示。
图5 零位脉冲信号
图6 零位脉冲处理电路
两个光电接收管直接获取最大通光量，接收管输出可达到最大量的效果，所以我们将两路零位脉冲信号，直接用电子学进行逻辑处理，将比较器电路组合成与门逻辑关系如图6所示。
从零位波形图中可以看出，波形斜率在高低温环境下，变化很小，可以准确定位起始点，同时也提高了计数精度。
3 结论
本文通过将光电编码器的码盘改变为金属材质，提高了光电编码器的环境适应性;通过获取A、B相信号及获取零位脉冲信号两方面的改进提高电路的抗干扰性及稳定性。
通过本文的改进措施提高了光电编码器的应用领域，提高了抗恶劣环境的能力。
参考文献
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【关键词】光电编码器；MCP2510；CAN总线；TJA1050
0.引言
本文采用三星公司提供的S3C2410处理器为CPU的嵌入式系统开发板为平台，在其外部总线上扩展CAN总线接口芯片-MCP2510。详细阐述了光电编码器嵌入式通讯系统在嵌入式ARM920T硬件平台体系下CAN总线的接口设计及嵌入式Linux操作系统下CAN总线的驱动程序设计。
1.光电编码器嵌入式通讯系统设计
光电编码器的信号经过一系列的组件处理后，转换成数字角度信号，通过嵌入式处理器S3C2410控制MCP2510CAN总线控制器通过TJA1050CAN总线收发器将光电编码器的数字角度信号传输到控制台中。这款通讯系统设计中，我的主要研究任务是实现该系统中MCP2510控制器与S3C2410处理器的接口设计及实现MCP2510驱动程序设计。
2.S3C2410扩展CAN总线接口
大多数嵌入式处理器都有SPI总线控制器，所以MCP2510可直接与SPI总线控制器相连，光电编码器的串行通讯系统中，S3C2410处理器下的开发板中MCP2510组成的CAN节点接口硬件电路原理图中，MCP2510使用3.3V电压供电，它可以直接与S3C2410通过SPI总线（在S3C2410的 datasheet中把这个接口叫做SIO，同步串口）连接。相关的资源如下：使用一个扩展的I/O口作为片选信号，低电平有效；使用S3C2410的外部中断6（EXINT6）作为中断引脚，低电平有效；16MHz晶体作为输入时钟，MCP2510内部有振荡电路，用晶体可直接起振；使用TJA1050作为CAN总线收发器。
3.CAN节点的软件设计
光电编码器的串行通信系统中，MCP2510CAN节点的软件设计主要包括两部分：Linux内核向ARM体系平台的移植；CAN总线驱动程序设计：MCP2510的初始化；MCP2510发送和接受数据。
CAN总线驱动程序设计。
系统中CAN总线的数据接收和发送时两个不同的线程。在驱动程序中建立数据发送和数据接收缓冲区。中断处理程序只负责填充缓冲区的数据，然后唤醒等待接受数据的任务。操作系统的中断响应时间决定了CAN总线数据的收发速度。
3.1 MCP2510的初始化
初始化MCP2510相关参数。
在Linux驱动动态加载的时候要调用初始化函数，完成以下任务：首先是软件复位，进入配置模式；设置CAN总线波特率；关闭中断，设置ID过滤器；切换MCP2510到正常状态；清空接受和发送缓冲区；开启接受缓冲区，开启中断。
3.2 MCP2510发送数据
这里的CAN总线发送格式有两种：当发送的数据缓冲区大小等于结构体CanData时，发送整个CAN总线帧的数据；当发送数据缓冲区小于8字节时，作为CAN总线数据发送，驱动程序会自动为此帧数据添加默认ID，这个ID事先通过ioctl设置好。MCP2510发送数据的程序片段如下：
3.3 MCP2510接收数据
CAN总线设备的数据接收过程中，当缓冲区中有数据时，直接读取缓冲区中的数据。对于非阻塞的情况，直接返回-EAGAIN；对于阻塞情况，通过等待队列mcp2510dev.wq等待系统接收到CAN总线数据，程序片段如下：
4.总结
本文设计的光电编码器的嵌入式通讯系统，主要针对该通讯系统的总线控制进行硬件接口设计与CAN总线处理器MCP2510的软件驱动程序设计和Linux内核移植。。实验证明，该款设计减低了系统功耗和成本、系统结构简单、提高了系统的可靠性、并且更具有实时性。这款CAN总线接口设计也可以应用到其它控制系统的CAN总线接口设计当中。
【参考文献】
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【关键词】电动执行机构；光电传感技术；光电编码器；电子行程
1.引言
电动执行机构是工控领域中广泛应用于控制阀门开启和闭合的一种电动驱动装置，通过远方和就地控制信号实现对阀门的行程控制。传统的电动执行机构控制系统中，行程部件大部分采用机械行程和限位开关来实现阀门开度的调节和限位控制，行程控制精度依赖于行程部件齿轮组的加工工艺和装配水平，普遍存在着阀门定位精度不高的问题，而且机械式行程部件在进行阀位调试时，需要对电动执行机构进行开盖操作，给工业现场安装、调试及维护工作带来极大的不便。光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化位置检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单等优点，光电编码器应用于电动执行机构，是一种技术上的更新与突破，实现了电动执行机构的电子行程控制方式，大大提高了电动执行机构的行程精度。
2.设计原理
2.1 电子行程部件设计原理
电动执行机构控制器的内部包含了位置信号感应装置、力矩感应装置、逻辑控制装置以及数字通信模块等控制模块，各模块电气控制单元由主控制器CPU统一调用管理。如图1所示，光电编码器作为位置信号感应装置部件，安装在电动执行机构行程轴上，行程轴另一端通过齿轮联接到蜗轮轴上，当电机开向或关向运行时，蜗杆直接带动蜗轮旋转，蜗轮的位移变化通过行程轴传输到光电编码器端，光电编码器完成位移信号的检测，检测信号再经过主控制器波形采集电路，由主控制器CPU读取两路脉冲信号，通过计算光电编码器每秒种输出的脉冲的个数，即可转换成当前电机运行速度，此外，通过捕捉两路相位相差900的脉冲信号，并在主控制器CPU的中断程序里对两路脉冲信号进行脉宽计数和脉冲波形变化判断，可以对电动执行机构的运行速度、位移变化及旋转方向做出判断和处理。另外，在切除电动执行机构外部动力电源的情况下，手动旋转电动执行机构手轮时，光电编码器仍能保持行程计数功能，电动执行机构具备断电阀位保持功能。
2.2 光电编码器设计
光电编码器作为电子行程位置感应装置，是一种集光、电一体，将旋转位移、速度等物理量转换成电信号的位置速度传感器。光电编码器采用相对编码计数，输出脉冲信号采用32位CPU芯片进行处理，使得电动执行机构可以应用于多回转、大行程的阀门装置中，根据DL/T 641-2005《电站阀门电动执行机构》标准要求，电动执行机构行程重复偏差（多回转）≤±50，（部分回转）≤±10。光电编码器中光栅盘采用低线数45线设计，根据电动执行机构的机械传动结构，电动执行机构输出轴旋转一圈时，产生脉冲个数为360个，使得电动执行机构的行程控制精度保持在1°，符合标准设计要求。
光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通45个长方形孔，光电检测装置由直射式红外光电传感器电路部分组成。圆形光栅盘（如图2所示）安装在直射式红外光电传感器当中，其中光栅盘每圈设计成45个筋，45个孔，光栅盘由电机驱动旋转，旋转时筋孔交替切割红外传感器，产生两路类似正弦波的脉冲信号，经整形电路对该波形处理，最终输出两路方波信号。光电编码器安装如图3所示。
通过电动执行机构内部机械传动结构，当电机开、关向运行，阀位发生变化时，光栅盘同步进行旋转运动，光电编码器输出两路正交脉冲，图4为光电编码器脉冲信号图。
3.设计分析
3.1 光编信号产生电路
光电编码器波形产生电路如图5所示。N2为光电传感器，采用双光电晶体管，光束中心间距为0.7mm，它们的节距和光栅盘上的节距相等，两组透光缝隙错开1/4节距，使得双光电二极管输出的脉冲信号在相位上相差90°电度角。波形采集电路输入端电阻R1、R2阻值大小为330Ω，传感器负载电阻R3、R4阻值大小为1.5kΩ。在光栅盘旋转运行过程中，光电传感器位置固定不动，光线透过光栅盘间断、交替的穿过双晶体管，产生两路相位相差90度的脉冲信号。
3.2 光编信号采集电路
波形产生电路输出的两路脉冲信号，需要经过整形电路进行波形整形，经过思密特双非门整形后，在三极管Q3、Q4集电极端输出脉冲方波。波形整形电路如图6所示。
3.3 光编信号采集电路
光电编码器输出的两路位置检测信号，经过整形电路整形后，传送至电动执行机构主控制器CPU端口，主CPU通过端口中断方式，在两路脉冲信号每次发生跳变时，会产生一次端口中断，由CPU中断处理程序完成一次脉冲信号的计数和方向判断。光电编码器结构简单，信号稳定，数据处理比较容易，但由于在主电源断电情况下，需要电池供电保持阀位计数，一旦电池电压过低或无法供电，电动执行机构阀位容易丢失，给现场生产运行带来不便。所以在光编信号采集电路中设计了电池省电方式，当主电源停止供电时，主CPU自动切换至低功耗工作方式，同时关闭光电编码器供电电源，为保证主电源断电过程中阀位计数功能，采用20mS定时唤醒方式，每隔20mS打开一次光电编码器电源开关，判断阀位是否发生变化。图7为光编信号采集电路，在正常运行状态下，BMQ_C引脚输出低电平，三极管Q102导通，V9XX为光电编码器供电，当主电源停止供电时BMQ_C引脚输出高电平，三极管Q102关闭，光电编码器供电电源断开，进入省电模式。
在光编信号采集电路中，主控制CPU通过采集两路脉冲信号，经过数据分析和方向判断，计算出当前阀位状态，然后通过串行总线，将阀位数据传送至人机对话模块，通过人机界面显示出当前阀位状态。
4.应用分析
4.1 应用中出现的问题
电动执行机构输出轴转速范围一般为5r/m至160r/m。不同规格型号的电动执行机构，其转速相差较大，对于高转速型电动执行机构，由于输出轴输出速度较快，从而使光电编码器的光栅盘随之高速旋转，使得光电编码器输出的波形受到双二极管通断速度的影响，波形变为不理想的脉冲方波，导致光电编码器在高速运行时出现性能不稳定情况。
4.2 问题分析
为解决此故障现象，需从光电编码器电路设计上进行原理分析。图8、图9、图10为不同条件下（波形产生电路R3、R4阻值变化）的波形采集图。
由以上采集波形可以看出，光电编码器输出端信号的下降沿随着信号产生电路上R3、R4阻值的增大变得越来越平缓，经过双非门U1整形后，光电编码器输出端波形的高电平宽度变宽，低电平宽度变窄，这是因为在5V供电条件下，双非门U1的高电平门槛电压VT+约为3V，低电平门槛电压VT-约为1.7V，如图11双非门工作原理图所示，所以当光电编码器输出端信号的下降沿越来越平缓时，电压下降时间也随之增加，双非门U1的输出端信号的低电平时间会变长，即低电平宽度变宽，高电平宽度变窄，双非门U1的输出端信号还要经过一个三极管反向后输出到光电编码器输出端，所以，此时编码器输出端信号的高电平宽度就变宽，低电平宽度就变窄了，受此影响，光电编码器两路输出信号形成的相交脉冲信号也比较窄，这样就很容易造成光编信号采集端信号采集困难或造成脉冲信号丢失，其次，从图中数据分析，当R3=R4=5.1K时，相交脉冲信号间隔时间大约为50us，此时光栅盘转速约为1875r/m，当转速达到2500r/m甚至更高时，间隔时间更短，从而影响CPU中断读取时间，造成数据丢失。由此分析，传感器输出端电阻R3、R4阻值取值不能太大。
另外，根据电路分析及采集信号图，光电编码器器输出端信号的电压峰值随着R3、R4阻值的减小而变小，由图8可以看到，当R3=1K，R4=1K时，VR3、VR4约为4.1V，而从实验过程中发现，R3=1K，R4=1K时，VR3、VR4有时不能达到2.7V，即达不到双非门U1的门槛电压VT+，所以会造成光电编码器没有信号输出，在同样的条件下之所以会出现两种不同的结果，是因为器件的离散性造成的，因为从上述波形图中可以看出，传感器的输出信号为模拟信号，所以传感器的输出效果跟器件本身有很大的关系，即同一器件在同一条件下有可能产生不同的模拟信号，从双非门U1输出端的信号就会随之变化，如果相差较大，那么得到的结果也会有较大区别。由此分析，传感器输出端电阻R3、R4阻值取值也不能太小。另外在图9、图10中可以观察到，当R3=2.2K，R4=2.2K时，VR3、VR4约为4.4V，R3、R4取值大于2.2K时，VR3、VR4也都约为4.5V。
综合分析考虑，为适应高速型电动执行机构和不同的电源供电方式（5VDC、3.3.VDC），光电编码器信号产生电路R3、R4阻值大小设置为1.5K较为合适。
5.结论
通过采用光电编码器作为电动执行机构行程检测部件，使电动执行机构实现了电子式行程设计，提高了阀门行程精度和阀位分辨率，实现了阀门的精确定位，有效的简化了电动执行机构的调试过程，提高了现场调试效率，方便了现场维护，适应了现代工业技术水平高速发展的要求。
参考文献
[1]潘琢金.C8051F340全速USB FLASH微控制器数据手册[S].2006.
[2]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
【关键词】 煤矿 DSP 光电编码器 电机 速度检测
近年来，随着我国推进小煤矿的资源整合与兼并重组工作，加快矿井的机械化改造步伐，有力的提升了煤矿安全生产保障水平，极大的促进了煤矿安全生产形势的好转。但煤矿兼并重组、整合技改工作地区间进展不平衡，部分整合技改煤矿违规生产或以整合技改名义逃避关闭。煤矿兼并重组、整合技改过程中隐患大量存在，瓦斯等可可燃性气体遇到火花容易引起爆炸，安全生产事故时有发生。煤矿安全生产形势对井下输变电和生产设备性能提出更严格的要求，尤其是提升运输和抢险救援设备。矿用隔爆型电机是煤矿井下提升运输、采掘和抢险救援的动力来源，开展矿用隔爆型电机运行速度检测技术的研究，对于提升煤矿设备的可靠性、排除安全隐患、减小生产事故发生和保障人民生命财产安全具有重要的意义。
一、数字信号处理器
从TI公司在1982-1983年推出TMS系列数字信号处理器（DSP）第一代产品到今天的TMS320C2000/5000/6000产品系列，TI公司的DSP的处理速度不断提高、结构更加合理、性能更加优越，DSP系统的开发环境也不断完善。TMS320C2000系列DSP集成微控制器和高性能DSP的特点，整合了Flash存储器、事件管理器、增强型CAN模块、快速的A/D转换器、正交编码电路接口及多通道缓冲串口等外设，具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法。在281x DSP上有两个事件管理器EVA和EVB，它们是数字电机控制时使用较多的重要外设，能够实现机电设备控制的各种功能。
每个事件管理器中包括定时器、比较器、PWM逻辑电路、捕捉单元正交编码脉冲电路及中断逻辑电路，省去了外部死区控制逻辑和外部速度/定位传感器逻辑，降低了CPU的开销，提高了系统的可靠性。
二、光电编码器
光电编码器是利用光电转换原理将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成，光栅盘上等分若干长方形小孔，检测系统中光电盘与被检测物同轴，被检测物旋转代动光电盘同速旋转，经过发光二极管等电子元器件组成的检测装置检测若干脉冲信号，通过计算光电编码器每秒输出的脉冲数就能反映当前电机的转速。
另外，光电编码器提供相位相差90°的两个通道信号输出，系统可以根据双通道光码状态的变化来判断电机的转向。根据刻度方法及信号输出形式，光电编码器分为增量式、绝对式和混合式三种。
系统选用欧姆龙公司生产的E6B2-CWZ3E型光电编码器作为矿用隔爆型电机速度和方向检测器件，该传感器利用光电转换原理输出A、B和Z相三路方波脉冲信号。A相、B相两路信号之间互差90°，用来检测电机的速度和方向。该传感器具体参数如表1所示。
三、DSP与编码器接口电路
DSP芯片的每个事件管理器模块都有一个正交编码脉冲（QEP）电路，当QEP电路被使能时， DSP可以对CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（对于EVA）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（对于EVB）引脚上的正交编码脉冲进行解码和计数。QEP电路可以用于连接光电编码器，获得矿用隔爆型电机的旋转方向和速度信息。
在使能QEP电路时，CAP1/CAP2和CAP4/CAP5引脚的捕捉功能被禁止。QEP单元通过信号转换单元与安装在电机主轴上的增量式光电编码器相连接，DSP对正交编码脉冲信号进行译码和计数，通过中断程序实现对矿用隔爆型电机速度、向等参数的计算和存储。
光电编码器输出信号为5V的方波信号，而DSP可接收的电压最大为3.3V，所以需要设计信号转换电路将5V的方波信号转换成DSP可接收的信号。5V方波信号经过电容滤除杂波和快速光耦6N137隔离，在通过双电压比较器LM393转换成DSP可以接收的脉冲信号。LM393比较器的参考电压为1.8V，当输入端电压大于比较器参考电压时，比较器输出高电平。
5V稳压电源经过输出电压可调的集成三端稳压器LM317转换后为比较器提供工作电源，比较器输出DSP可识别的脉冲信号，信号转换电路如图1所示。
四、结论
结合我国煤矿安全生产现状，将DSP和光电编码器有机结合在一起，设计矿用隔爆型电机速度检测系统。光电编码器经过信号转换电路传递给DSP的正交编码脉冲单元，DSP根据双脉冲的先后顺序和脉冲频率经过内部处理可以得到电机的方向和速度。
检测系统结构简单、可靠性很高、实时性好，能够实现矿用隔爆型电机速度实时检测，满足预期设计要求。
参 考 文 献
[1] 国家安全监管总局 国家煤矿安监局.关于进一步加强煤矿安全监管监察工作的通知.〔2012〕130号.
[2] 李剑峰.高可靠性可编程水泵监控系统[J].煤矿机械，2009，（11）：127.
图1中的系统是传统的带PID调节的直流伺服速度控制系统。对于控制精度较低的产品虽能满足要求。但对于精度要求高的场合就不能适应了。这是因为：当电机运转一段时间后，电机温度随着工作时间加长而不断上升，而反馈元件（测速发电机）与伺服电机同轴连接，故测速发电机的温度也随之升高。因为测速发电机是用永磁磁缸制成，其转子线圈切割磁力线而产生电势，其值为：
Ea=εa∝N
式中Ea为测速机输出电势
εa为测速机电势常数
N为电机转速
一般情况下，εa是个常数，测速发电机产生的电势Ea正比于转速N。而实际上电机温度上升后εa已经发生了变化，通常情况下是下降的，εa变小，故Ea也变小。而此时电机转速并未下降，反馈到速度环的电压Δu随之上升，促使电机转速上升，迫使Ea上升，从而达到Δu维持不变。这样，随着电机温度上升，电机的速度也慢慢上升，而给定值并未改变，这就引起电机转速的误差增大。根据实际测量一般电机温度每上升100℃，电机转速的误差会增大1－3%左右。电机转速越低，相对误差越大。
为了纠正电机转速的偏差，采用600线/转的光电编码器作反馈元件，与电机同轴安装，就可以准确测出电机的转速。因为光电编码器是由激光照射光珊发出脉冲的，而光珊安装在光电编码器的转轴上，转轴每转一周（3600）编码器就产生600个脉冲，该脉冲只与转轴速度有关，而与温度无关。因此，只要准确测出光电编码器的脉冲个数，就可确切知道电机的转速。
例如，当电机的转速ND=1000转/分，则每秒钟光电编码器的脉冲个数应为
n光=1000*600/60
=10000（个脉冲）
若
ND=1转/分
n光=1*600/60=10（个）
如果实际测量值与上述理论计算值有偏差，则可以通过调节D/A输出电压调整电机的转速，最终使
Δn=ND测-ND理
这样就可以将电机的转速控制在我们所希望的误差范围内。
2元器件的选择；
2．1伺服系统（速度环）选用SC5HC60型直流脉宽伺服系统，调速范围可达1：10000以上，速度精度为0.5%FS。
2．2电机选用稀土直流宽调速伺服测速机组,与伺服系统构成速度闭环系统。
2．3D/A器件选用分辨率为16位串行D/A。控制线为三线串行方式，即：一根时钟线，一根数据线，一根选通线。
2．4光电编码器每转输出600个脉冲，五线制。其中两根为电源线，三根为脉冲线(A、B、Z)。电源的工作电压为+5～+24V直流电源。
工作原理:当光电编码器的轴转动时A、B两根线都产生脉冲输出,A、B两相脉冲相差900相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转,否则为反转.Z线为零脉冲线,光电编码器每转一圈产生一个脉冲.主要用作计数。A线用来测量脉冲个数,B线与A线配合可测量出转动方向.
2．5单片机选用89C51-24PC单片机，晶振频率为24MHz，用一个定时器作计数器来测量光电编码器的脉冲个数，另一个定时器精确定时，这样可准确测出电机每秒钟转动的距离，同时根据设定值计算出电机每秒钟应转动的理论值并与测量值进行比较,将误差值转换成数字量输出到D/A芯片的输入端，从而改变其电压输出，送给伺服系统控制电机的转速,从而达到恒速的目的。
例如:要将电机控制在500转/分,根据伺服系统的指标,当输入为0～5V信号时,电机转速为1500转/分,故可求得当ND=500转/分时，光码盘每秒钟输出的脉冲数为：
PD=500×600/60=5000个脉冲
对应该转速伺服系统的输入电压应为：
VD=5.000×500/1500=1.6666V
当测出的脉冲个数与计算出的标准值有偏差时,可根据电压与脉冲个数的对应关系计算出输出给伺服系统的增量电压U:
U=P×5.000/(1500×600/60)=P/3000(V)
而输出到D/A的数字量的增量应为:
D=U×216/5.000
电机的整个工作调节过程如下:
工作前通过键盘设定控制转速,计算出输出电压VD并将该电压对应的输出到D/A的数字量V数=VD×216/5.000算出,直接送给D/A,电机开始起动运转。当电机运转一段时间后电机转速不断上升从而导致测速机磁性下降，测速机输出电势下降，经速度环调整后使电机转速上升，运行时间越长，电机转速上升越多。这时系统起动位置环，通过不断测量光电编码器每秒钟输出的脉冲个数，并与标准值PD进行比较，计算出增量P并将之转换成对应的D/A输出数字量，在原来输出电压的基础上减去增量，迫使电机转速降下来，当测出的P近似为零时停止调节，这样可将电机转速始终控制在允许的范围内。
3硬件电路的实现
实际工作中由于伺服系
统工作电流较大，对于微机干扰较大，故在硬件电路设计时应考虑到系统的隔离和干扰问题。由于选用的是串行D/A。信号的传输只用三根线，故采取隔离措施相对容易些。而光电编码器工作也容易受到干扰，因此除了正常的接地外，还要将光电编码器输出线中的地线可靠接地。光电编码器的A线做脉冲检测用，Z线作计数器用，速度输入用键盘输入数字，显示用液晶显示器。
4软件
根据电路的连接情况，采用汇编语言编写了整个程序。现将部分阐述如下：
4．1初始化
初始化内容包括定时器、中断系统及个单元内容的初始化
HSTART:MOVSP,#0E0H;设置堆栈顶地址
MOVIE,#90H；开中断及串行口中断允许
MOVIP,#5；将定时器1和串口中断设置高优先权
MOVTCON,#5;外中断0和外中断1全部为边沿触发方式
MOVTMOD,#21H;定时器0为方式1定时器2为方式2
MOVPCON,#0；SMOD=0
MOVSCON,#0D8H;串口设置成方式3,TB8=1,REN=1
MOVTH1,#0FDH;设定定时器1重装时间常数
MOVTL1,#0FDH
CLRET1
SETBREN
SETBES
MOVTH0,#2CH
MOVTL0,#0
SETBTR0
SETBTR1
……
4．2定时器0中断子程序
CLOCK0:CLRET0;保护现场指令
MOVTH0,#2CH;重置时间常数
MOVTL0,#0
INCQSE0
MOVA,#14H;判别1秒钟定时到否
CJNEA,QSE0,HCLZ
MOVQSE0,#0;计数器清零
MOVA,QSEC
ADDA,#1;秒单元加1
DAA
MOVQSEC,A
MOVA,#5
CJNEA,QSEC,HCLZ;判5秒钟到否
MOVQSEC,#0;秒单元清零
CLREX0;关中断0停止计数
HCLZ:恢复现场指令
SETBET0
RETI;中断返回
4．3中断0计数程序
POST1:CLREX0
保护现场指令
MOVA,QLLD;计数器低位加1
ADDA,#1
MOVQLLD,A
MOVA,QLLD+1
ADDCA,#0
MOVQLLD+1,A
恢复现场指令
SETBEX0
RETI
【关键词】编码器；应用；定标
1 绝对式编码器简介
光电编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，其可以高精度测量被测物的转角或直线位移量。按测量方式可分为：旋转编码器和直尺编码器。按编码方式可分为：绝对式编码器、增量式编码器、混合式编码器。
绝对式旋转编码器用光信号扫描分度盘（分度盘与传动轴相联）上的格雷码刻度盘以确定被测物的绝对位置值，在它的圆形分度盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在分度盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。它的特点是：1.在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷码编码，因此编码器输出的位置数据是唯一的；2.没有累积误差；3.电源切除后位置信息不会丢失。
2 绝对式编码器应用举例
绝对式编码器在钢铁冶炼中被大量使用，通常用作转炉氧枪枪位测定、钢包车位置测定等。以转炉氧枪枪位测定为例，使用一个25位并行输出型绝对式编码器于升降电机相连，通过对编码器输出值的换算比较，实现对枪位的确定与升降控制。
实现方法如下：25位并行输出型绝式值编码器输出信号为25位二进制码，通过25个开关量输入点与PLC相连。在PLC中通过二进制――十进制换算，编码器实际输出范围为0～226-1。编码器与PLC也可以通过Profibus、DriverNet等总线进行通讯，直接读取编码器数据。通过总线进行通讯可实现更多功能，如对编码器值复位或赋值。但对设备现场环境有一定要求，如现场环境较差，如存在较大电磁干扰、高温问题，因总线故障排查难度大，故此总线通讯方式不作推荐。
假设该编码器在实际使用中，始终正向旋转（即编码器的值由0向226-1变化的方向），其输出值与转动圈数的关系如图1。通过对枪位与编码器值的标定，便可对枪位进行控制。在初次使用时，需根据现场实际枪位，结合编码器输出值对枪位进行一次调校并修改PLC程序中相关参数，已完成PLC程序内的编码器值与枪位的对应。故此，在日后检修维护过程中，如更换编码器，则需要再一次进行枪位调校。
调校方法及原理如下：
（1）与机械、电器安装人员确定设备安装到位，并观察编码器输出值，确认输出值的第24位于25位的值相与为0。在调校之前，确定编码器输出值在该范围中段附近，其目的是为避开因编码器值由0至226-1或226-1至0的变化造成的枪位跳变。虽25位绝对值编码器的输出范围足够大且能够满足对顶枪升降范围标定的需求，但如安装初期不注意该问题，依然会为日后的正常生产埋下隐患。
【关键词】LPC2114；DMOS LMD18245；智能检测；同步控制
1.引言
随着计算机技术的日益普及，计算机辅助评片系统愈来愈受检测人的青睐。针对胶片的气孔缺陷，做计算机辅助评片，并进行自动分级。为了保证缺陷智能检测中线阵CCD相机对胶片的数字化处理准确无失真，本文设计采用ARM处理器LPC2114为核心，光电编码器接入电路，电机驱动选用LMD18245芯片，驱动步进电机控制扫描机构的运动速度与线阵CCD线频率的匹配，从而确保工业胶片数字化和同步只能检测的准确无误，为未来工业射线检测提供重要保障和技术支持。
2.系统总体设计
本设计采用LPC2114作为集成控制芯片，增量式光电编码器作为采集启动信号，接收到由增量式编码器发出的A、B相信号，再由LPC2114对步进电机驱动器发脉冲信号，利用脉冲计数方式控制电机驱动器，再用电机驱动器带动电机进行加工。增量式编码器在转动时，可连续输出与旋转角度对应的脉冲数，静止状态不输出脉冲。计算其步进电机的转速，利用步进电机细分驱动和PID控制算法调整传动机构的速度，最终实现对步进电机的精确控制，电机同步系统框图如图1所示。
图1 电机同步系统框图
Fig.1 Motor synchronization system block diagram
3.硬件电路设计
步进电机总体控制设计采用两相四线的步进电机，ARM控制器给步进电机驱动器一个脉冲信号和方向信号，并利用驱动电路中的细分功能，经过功率放大和环形分配器，驱使步进电机绕组精确运转，采用细分控制电路，能够降低工作噪音，减少震动，消除步进电机的低频共振，改善步进电机工作的旋转位移分辨率。
3.1 光电编码器
光电编码器在电机控制中可以用来测量电机转子的磁场位置和机械位置以及转子的磁场和机械位置的变化速度与变化方向。可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法。
设在时间T内，转轴转过的弧度数为Xτ，则转速n可由下式表示：
3.2 步进电机驱动及细分电路
驱动电路选用两片LMD18245作为步进电机驱动芯片，用来驱动两相四线步进电机，它与LPC2114主要硬件控制连接图如图2所示：
图2 LMD18245与LPC2114硬件连接图
Fig.2 LMD18245 and LPC2114
hardware connection diagram
步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作，驱动器的作用是对控制脉冲进行功率放大，环形分配，为了更加精确有效的控制步进电机，改善步进电机工作的旋转位移分辨率，步进电机驱动采用细分功能，LMD18245采用TO-220封装，电源电压12V供电，固有步距脚1.8°，电机齿数50W，DIRECTION为方向逻辑输入引脚。逻辑控制功能，BRAKE为急停信号，为D/A转换器的参考电压，设置为5V，M1-M4为D/A转换器的二进制数字输入端，可以改变细分数，此设计采用4细分驱动，因此细分后步距角=电机固有步距角/细分数，其步距角为1.8o/4=0.45o，也就相当于每来一个脉冲走0.45o，当细分等级大于1/4后，电机的定位精度并不能提高，只是电机转动更平稳。通过对步进电机的精确，平稳控制，可以使其和线阵CCD相机的采集频率表相互匹配最终达到精确检测的目的。
4.软件设计
控制系统软件主要由六部分，分别为主控程序，增量式PID速度控制程序，串口收发程序，外部中断程序，位移，速度计算程序，步进电机正反控制程序。设计流程图如图3所示。
图3 同步检测设计系统设计流程图
步进电机上电初始化后，对胶片位移和速度进行测量和计算，并利用增量式PID控制步进电机的移动速度，串口进行对电机方向，目标位置，PID参数的设定，当胶片开始移动后，控制器将对编码器进行计数进行位移计算和速度计算，并调用PID算法：
?PreU=Ka×[（Derror+beta×Kb×e_k+Kc×PreDerror） ]
计算误差，更新电机转速的输出值，为了使线阵CCD线频率与扫描机构的运动速度相匹配，已知步进电机步距角T，细分数N，频率f，可以计算得到步进电机的转速：
进而转化为，线阵CCD的线频率，其中L为每个CCD像素的成像代表物面上的尺寸。从而更新胶片相对于CCD镜头的位置进行成像，最终实现对X胶片的数字化精确采集。
5.结束语
本文基于钢管焊缝缺陷智能检测技术，设计了基于ARM7的底片数字化仪电机同步系统，通过利用驱动细分技术对步进电机转速的控制，使线阵CCD相机的扫描速率和胶片传动机构速率相匹配，实践证明，采用以上设计方法可以更加精细的调整CCD镜头，最终可以获得更加准确，清晰的数字化图像。
参考文献
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【关键词】检测元件；伺服系统；反馈信号；感应同步器
检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分，它起着检测各控制轴的位移和速度的作用，它把检测到的信号回反馈控制系统，构成闭环系统。测量方式可分为直接测量和间接测量：直接测量就是直接对机床的直线位移测量，常用的检测元件一般包括：直线感应同步器、计量光栅、磁尺激光干涉仪。间接测量就是对引起机床的直线位移的回转型元件的间接测量，它常用的检测元件一般包括：脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅和圆磁栅。因此检测元件的工作状态影响着进给的准确性和稳定性。
常见的检测元件的故障有以下几种情况：
1.加／减速时机床震动
（1）脉冲编码器出现故障，此时检查速度单元上的反馈线端子电压是否在某几点电压下降，如有下降表明脉冲编码器不良，更换编码器。
（2）脉冲编码器十字联轴节可能损坏，导致轴转速与检测到的速度不同步，更换联轴节。
（3）测速发电机出现故障，修复，更换测速机。
2.飞车
在检查位置控制单元和速度控制单元的情况下，应检查：
（1）脉冲编码器接线是否错误，检查编码器接线是否为正反馈，A相和B相是否接反。
（2）脉冲编码器联轴节是否损坏，更换联轴节。
（3）检查测速发电机端子是否接反和励磁信号线是否接错。
3.主轴不能定向或定向不到位
在检查定向控制电路设置和调整，检查定向板，主轴控制印刷电路板调整的同时，应检查位置检测器（编码器）是否不良。
4.坐标轴振动进给
在检查电动机线圈是否短路，机械进给丝杠同电机的连接是否良好，检查整个伺服系统是否稳定的情况下，检查脉冲编码是否良好、联轴节联接是否平稳可靠、测速机是否可靠。
5.NC报警中因程序错误，操作错误引起的报警
如FAUNUC 6ME系统的NC报警090.091。出现NC报警，有可能是主电路故障和进给速度太低引起。同时，还有可能是：
（1）脉冲编码器不良。
（2）脉冲编码器电源电压太低，（此时调整电源电压的15V，使主电路板的＋5V端子上的电压值在4.95—5.10V内）。
（3）没有输入脉冲编码器的一转信号而不能正常执行参考点返回。
6.伺服系统的报警号
如FAUNUC 6ME系统的伺服报警：416、426、436、446、456；SIEMENS 880系统的伺服报警：1364；SIEMENS 8系统的伺服报警：114、104等。当出现如上报警号时，有可能是：
（1）轴脉冲编码器反馈信号断线，短路和信号丢失，用示波器测A相、B相一转信号。
（2）编码器内部受到污染、太脏、信号无法正确接收。
我实训工厂现有数控设备80台套，其中，西门子880系统加工中心6台，数控切割机四台，FAUNUC 6ME系统数控车床16台，西门子8系统数控铣16台套，使用过程中检测元件出现的故障占了很大比例：下面就几具典型故障作一个分析。
故障一：检测信号线折断，导致控制轴运行故障。
故障现象：友嘉精机FANUC-18M数控系统的加工中心有一次正在工作过程中，机床突然停止运行，CRT出现NC报警104，关断电源重新起动，报警消除，机床恢复正常，然而工作不久，又出现上述故障，如此反复。
故障分析及解决：查询NC 1O4报警，内容为：X轴测量闭环电缆折断短路，信号丢失，不正确的门槛信号不正确的频率信号，本机床的X、Y、Z三轴采用光栅尺对机床位移进行位置检测，进行反馈控制形成一个闭环系统。
根据故障现象和报警，我们先检查读数头和光栅尺，光栅尺密封良好，里面洁净，读数头和光栅尺没有受到油污和灰尘污染，并且读数头和光栅尺正常，随后我们又检查差动放大器和测量线路板，经检查未发现不良现象，经过这些工作后，我们把重点放在反馈电缆上，测量反馈端子，发现13号线电压不稳，停电后测量13号线，发现有较大电阻，经仔细检查，发现此线在X向随导轨运动的一段有一处将要折断，似接非接，造成反馈值不稳，偏离其实际值，导致电机失步，经对断线重新接线，起动机床，故障消除。
故障二：感应光电盘损伤导致加工件加工尺寸误差。
故障现象：友嘉精机FANUC-18M数控系统的加工中心X向切削零件时尺寸出现误差，达到0.30mm/250mm，CRT无报警显示。
故障解决：本机床的X、Z轴为伺服单元控制直流伺服电机驱动，用光电脉冲编码器作为位置检测，据分析造成加工尺寸误差的原因一般为：（1）X向滚珠丝杠与丝母副存在比较大的间隙或电机与丝杠相连接的轴承受损，导致实行行程与检测到的尺寸出现误差；（2）测量电路不良。根据上述分析，经检查发现丝杠与丝母间隙正常，轴承也无不良现象，测量电路的电缆连线和接头良好，最后我们用示波器检查编码器的检测信号，波形不正常。于是我们拆下编码器，打开其外壳，发现光电盘不透光部分不知什么原因出现三个透明点致使检测信号出现误差，更换编码器，问题解决，因为FAUNUC 6ME系统的自诊断功能不是特别强，因此在出现这样的故障时，机床不停机，也无NC报警显示：还有几次因检测元件不良造成的设备故障，在此就不一一列述。
检测元件是一种极其精密和容易受损的器件，一定要从下面几个方面注意，进行正确的使用和维护保养。
（1）不能受到强烈振动和摩擦以免损伤代码板，不能受到灰尘油污的污染，以免影响正常信号的输出。
（2）工作环境周围温度不能超标，额定电源电压一定要满足，以便于集成电路片子的正常工作。
（3）要保证反馈线电阻，电容的正常，保证正常信号的传输。
（4）防止外部电源、噪声干扰，要保证屏蔽良好，以免影响反馈信号。
关键词： 光电编码器； PID控制； 简易旋转倒立摆； 全国大学生电子设计竞赛
中图分类号： TP29?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0160?03
Design of simple inverted pendulum control device based on STC89C52
TANG yan
（Yinchuan Energy Institute， Yinchuan 750105， China）
Abstract： Taking National Undergraduate Electronic Design Contest as a background， an inverted pendulum control system based on single chip microcomputer taking as the main control chip was designed and manufactured by analyzing the tasks and basic requirements of simple rotary inverted pendulum and its control system. PID is used to control and adjust the feedback signal emitted from photoelectric encoder， and send control signal to drive DC motor， so as to achieve speed control. The device can make the rotating arm swing timely， and make the swing bar meet the subject requirements in a short period of time.
Keywords： single chip microcomputer； photoelectric encoder； PID control； simple rotary inverted pendulum； National Undergraduate Electronic Design Contest
0 引 言
在全国大学生电子设计竞赛中，简易倒立摆的控制装置设计具有非常典型的意义，由于其运动特性与日常所见到的各种重心高，支点低的物体稳定问题，及双足步行机器人关节运动等有很大的相似性，因此，对其的研究也一直受到国内外学者的广泛关注[1]。本文采用AT89C52单片机设计的简易旋转倒立摆控制系统，机械装置构造简单、工作可靠、价格低、体积小，是研究控制理论较理想的控制装置，其控制具有高阶次，不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性。
1 旋转倒立摆装置的设计
1.1 机械结构设计
旋转倒立摆的结构如图1所示。电动机A固定在支架B上，通过转轴F驱动旋转臂C旋转。摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一端，当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自由旋转。
图1 旋转倒立摆结构示意图
由旋转倒立摆的结构示意图，选择做了金属框架，按照示意图所示，安装了简易的倒立摆，由它来完成目标控制任务。实物如图2所示。
图2 旋转倒立摆装置
1.2 控制电路设计
在控制电路的设计中，最终确定了以STC89C52单片机为控制核心，采用型号为YH42BYGH47?401A的步进电机控制倒立摆摆动，用增量式编码器来测量倒立摆摆动过程中的摆幅，将光电编码器传回来的摆杆角度数字信息经过单片机处理后，适时、准确地控制步进电机启动的时刻，以此达到倒立摆的控制。
设计的系统的总体结构框图如图3所示。
图3 系统方框图
1.2.1 驱动模块
本设计采用L298N模块给步进电机供电。L298N可直接对步进电机进行控制，不需隔离电路。它通过改变控制端的电平来对步进电机进行启停，非常方便，亦能满足控制摆杆需求。
1.2.2 角度传感器模块
本设计采用光电编码器测量摆杆的旋转角度并反馈回给单片机，它是集成光?机?电为一体的数字测角装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量送给单片机，能直接被单片机识别，不另外需要A/D转换器，具有体积小，精度高，工作可靠，接口数字化等优点。
增量式光电编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A，B和Z相；A，B两组脉冲相位差90°，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位[2]。
它的特点是具有简单的原理构造，机械平均工作时间可以达几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性、稳定性高，主要适合于长距离传输。
编码器输出的A相脉冲接到单片机的外部中断INTO，B相脉冲接到I/O端P1.0，如图4所示。
当系统工作时，首先要把INTO设置成下降沿触发，并开相应中断。当有效脉冲触发中断时，执行中断处理程序，判断B脉冲是高电平还是低电平[3]。若是高电平，则编码器正转，加1计数；若是低电平，则编码器反转，减1计数。
1.2.3电源模块
本系统采用独立供电模块，220 V交流经变压器变压，整流电路，滤波电路，再经三端稳压管稳压输出5 V和12 V。
图4 判断相电路
2 控制程序编制
为了达到目标任务的要求，采用了比例?积分?微分控制，即PID控制。它是一种对偏差进行的比例、积分和微分运算的控制规律，其具体的表达：
[m（t）=KP[ε（t）+1TI0tε（τ）dτ+TDdε（t）dt]] （1）
式中：[KPε（t）]为比例控制项；[KP]为比例系数；[1TI0tε（τ）dτ]为积分控制项，[1TI]为积分时间常数；[TDdε（t）dt]为微分控制端，[TD]为微分时间常数[4]。
用单片机的C语言实现PID控制规律时，需要对式（1）进行离散化，以便于单片机的计算[5]。
离散化后：
[m（t）=KPε（t）+1TI[ε（1）+ε（2）+…+ε（t）]+TD[ε（t）-ε（t-1）]] （2）
在以3 ms的采样周期内，可得到角度偏差，代入式（2），有：
[NT1=KP・Δθi+KI（Δθ1+Δθ2+…+Δθi）+ KD×（Δθi-Δθi-1）] （3）
得到低电平的持续时间[T1]对应的中断程序的脉冲计数[Nn]，进而求出[T1=NT1×1.09 μs]。而设计的脉冲周期时间为[T0=1 ms]的延时，那么最终输出的电机转速为：
[V（t）=4 000rpm×duty_ratio =4 000 rpm×（1-T1T0） =4 000 rpm（1-NT1×1.09 μs1 ms）]
利用以上算法编制PID控制程序，程序详细流程如图5所示，使用经验法的调试，最终得到了PID的控制算法中的各个控制参数的数值，具体是[KP=75]，[KI=135]和[KD=75]，以保证倒立摆的稳定性[6]。
图5 控制系统流程图
3 结 语
通过对倒立摆控制装置的调试，得到了较好的控制效果。系统基本达到了要求，摆杆从处于自然下垂状态（摆角0°）开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°～60°， 尽快增大摆杆的摆动幅度，直至能完成圆周运动；另外，如若外力拉起摆杆至接近165°位置时，外力撤除同时，启动控制旋转臂，摆杆保持倒立状态时间不少于5 s。本装置具有结构紧凑，电路稳定，控制程序编制灵活的特点。
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关键字：定位无线技术编码器
中图分类号：C93文献标识码： A
The realization of the locomotive in the coal yard of digital positioning principle
(Qian’an Operation Department, Beijing Shougang Automation & Information Technology CO., Ltd., Qian’an 064400)
Abstract :Modern factory production process automation and digital technology is more and more rely on the support. In coal chemical industry enterprise, for example, coal is important in the production of raw materials, reasonable resource ration is to create an indispensable component of the enterprise benefit. When the original resource allocation rationalization relies too heavily on the use of production equipment specification and production personnel working experience. How to reasonable and effective allocation of resources? This will require a introduced in the production process automation and digitalization, based on the digital management of coal, for example, briefly describes how to realize the automatic positioning, how to carry on the dynamic management of the coal main equipment.
Keywords: Positioning Wireless technologyEncoder
一、堆取料机设备的特殊性
堆取料机是焦化厂生产环节中的重点设备，是煤种分类调配的主要工具。它具备两方面工作任务：一、堆取料机负责将翻车机或卸车机卸下的煤，按照煤种种类，通过皮带分堆堆放在煤场的指定位置上；二、堆取料机还负责将煤场上的煤，按照生产工艺要求，通过斗轮和皮带将指定的煤运输到配煤仓中。这就是通常所说的“堆煤”和“取煤”操作。
堆取料机的主体设备安装在两条钢轨上运行，钢轨之间就是“堆煤”和“取煤”的主皮带。目前，一些大型的堆取料机均具备自动化控制系统，同时与皮带系统也存在着大量的开关量连锁，主控室一般通过控制皮带来控制堆取料机的小皮带和斗轮。
堆取料机的大臂是一个有固定长度可进行0-270度旋转的钢铁结构，大臂通过旋转将煤堆到指定的位置，或取指定的煤种。它的前方安装了一个旋转斗轮，斗轮在取煤的过程中，通过旋转将煤取到小皮带上，再运输到其他地方。堆煤的过程中，斗轮不旋转。
图1.1 斗轮式堆取料机
综上所述，由于堆取料机设备的特殊性，如果要对它实现动态管理，首先要实现机车行走位置的精确定位，同时还要实现斗轮位置的精确定位。确定其在堆取什么煤。从而在煤场动态管理画面上直观的显示出堆取料机的运行状态。
二、堆取料机定位的实现方式
2.1 堆取料机行走位置的实现方式
本文所介绍的堆取料机行走位置检测采用在大车上的从动轮上安装编码器的方式。为确保传输过程中数据准确性，可以在堆取料机的行走轨迹上安装几对光电开关以对走行位置进行及时校正（轨道下一侧安装光电开关投光器，堆取料机上安装光电开关受光器）。编码器通过DP电缆，连接到PLC主站上，为了在编码器DP网络出现问题时不影响现有PLC系统运行，可以加装DP主站模块。光电开关信号通过线缆接入堆取料机的现有的自动控制系统。
2.2 堆取料机斗轮位置的实现方式
堆取料机的斗轮位置利用了几何中最常用的公式。由于机车大臂的长度是一定的，只需直到大臂旋转与皮带产生的夹角，就可利用勾股定理，直接算出斗轮与皮带的垂直距离，将所求得的距离输出到煤场动态画面中，就可以直观的看到堆取料机斗轮所在的位置。
图2.2 斗轮位置计算方式
现在我们就来解决如何测量大臂旋转角度的问题。这里还是采用旋转编码器的形式，通过对机械结构的探查我们可以得知，大臂的旋转靠的是齿轮结构，齿轮和大臂同轴，齿轮运动，随之大臂就开始旋转。由此我们可以利用堆取料机的齿轮机构，加装一套从动齿轮机构，使其与大臂旋转的主运动齿轮咬合，在后加的从动齿轮机构上安装一台编码器。
图2.3 编码器安装在齿轮结构外侧
采用齿轮机构的安装方式，因为齿轮随大臂运动，编码器的转速不高，单是编码器的精度决定于齿轮的咬合程度，长期使用，齿轮出现磨损，会降低编码器的精度，这个问题可以通过定期检查矫正回转编码器数值来解决。采用双编码器方式，实现了对堆取料机行走位置和斗轮位置的定位。
三、信号无线传输的实现方式
目前越来越多的无线技术应用到工厂，取代了原有的通讯电缆。使数据通讯更加稳健、可靠。涉及到本文所说的堆取料机，数据如何通讯呢？堆取料机是大型的移动设备，在之前，它的特殊性决定其数据通讯必须采用大量的拖缆和滑线。而现在的无线技术完全可以替代这些易损的设备。
一般煤场距离主控中心较远，而且堆取料机的原有控制系统的数据都不采集到工业数据库服务器中，且堆取料机为移动设备，距离现有工业网络节点比较远。因此大量采用了无线传输设备进行数据通信。
下面以MOXA的无线传输设备为例，简述一下如何实现堆取料机的无线通讯。
为了实现堆取料机数据传输，在原西门子PLC系统中添加以太网模块，以太网模块通过赫斯曼交换机与安装在机车司机室内的MOXA无线客户端相连，数据通过设置在机车顶端和主控中心楼顶的天线，传输进主控中心的无线AP，再通过工业环网主交换机进入到工业服务器中，煤场动态管理系统通过调取工业服务器中的数据采集到堆取料机的位置信息。
由于堆取料机为移动设备，为避免通讯出现死角，无线天线必须为全向天线。中控楼为无线接收核心部分，考虑到天线损坏影响整个网络运行，在中控楼AP基站天线架设双冗余天线，确保设备稳定。
无线技术的应用大大降低了安装成本和维护费用，其良好的数据通讯功能，保证了数据的连续性和准确性。
四、总结
随着高炉对焦炭质量的要求越来越严格，要求焦化厂的配煤管理逐步精细，质量控制更加平稳。煤场的动态、数字化管理是摆在焦化行业面前一个尤为重要的问题。而做到煤场的动态管理，对堆取料机实现定位，是一个不可或缺的环节。本文叙述了一种成本低廉，维护简单的实现方式，不但能满足系统的需求，还可以扩展更多的功能。值得在行业内部进行推广。
参考文献：
[1] 房振发 李春雷 《PLC在堆取料机上的应用》 .2003 第11期《自动化仪表》
任务：每分钟定位移动500次，每次不超过20um过冲。
分辨率：1um
配置：齿形皮带（一次共振频率为20Hz），外接直线编码器，带CANbus或Profibus接口的Ecostep伺服。
采用23S31电机（见图1），ECOSTEP100驱动器，外加1um的光电直线编码器。驱动系统的平均功耗约10W，可采用2A x 60VDC的电源。这就构成了一套经济实用的高精度快速定位系统。
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图1：23S31电机
23S31伺服电机通过齿形同步皮带拖动负载，直线编码器安装在直线平台上，直线编码器输出接ECOSTEP100的主编码器接口(master encoder)，通过ECOSTEP100内部的编程设置，可以使伺服系统基于直线编码器的反馈信号做位置环控制，其分辨率取决于直线编码器的分辨率。
我们可以把这套齿形皮带系统与传统的丝杠系统做一个性能对比。假如同步带轮周长为125mm，而丝杠导程为10mm，那么从图2可以看到：当位移小于15mm时，皮带系统会稍慢一点，但如果位移较长，那么皮带系统会快得多。控制器最大的挑战是解决两个物体之间因为配合问题产生的共振，它通常会导致50ms左右的定位延迟（见图3）。为了达到更好的性能，我们采用一个可调整的低通滤波器做前置反馈控制（feed forward control）
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图2：定位时间与行程曲线
红色表示125mm带轮的皮带系统，绿色表示10mm导程的丝杠系统
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【关键词】PIC单片机；直流电机控制器
一、PIC单片机的技术优势介绍
第一，哈佛总线结构。在设计上这一系列的单片机不仅仅沿用了哈佛体系结构，更尝试了使用哈佛总线结构，这为其在流水作业中各项指令可以更好地执行提供了技术保障；第二，在寻址方式上，其他类型的单片机寻址方式往往在五种以上，这样的优势就是寻找操作数更加方便；第三，在代码压缩率上，PIC系列单片机能够存放的指令多达一千余条，远远超过其他类型的单片机.在节省程序存储空间上，优势更加明显，PIC单片机在引脚上更少，功能更为强大。除此之外，其能够直接带动LED负载以及结构简单、抗干扰能力强等方面的优势。
二、单片机的直流电机的型号以及特点
考察到系统技术的实际情况，此次研究所使用的直流电机选择为maxon集团所生产的高精密电机，型号为A-max32 32rnrn，石墨电刷，其各项性能如表1所示：
三、基于PIC单片机技术的直流电机控制器设计与应用
（一）PIC单片机直流电机控制器系统结构介绍
在直流电机多速控制器系统中，PIC单片机扮演的是整个系统控制核心的角色，利用键盘对每一段的运行参数，诸如键盘输入电路、电源电路、基准电压电路、D/A转换电路、显示电路等进行设计，此次研究中使用数字MR编码器，型号为L，分辨率为1024。由于在实际运行中单片机I/O口的限制，额外增加了硬件确保对于运行过程中的段位进行显示，同时在设定时间、转速以及实际测量转速上做到有效的干预。该系统运用RS-232串行通信，波特率设定在192000bps，系统的构成方式为4*4行列式键盘，其中包括数字键为0～9、设置键、确认键等等。
（二）基于PIC单片机技术的直流电机控制器的实际应用
基于PIC单片机技术的直流电机控制器要想顺利的运行主要包括PIC单片机控制程序以及上位机的参数设置程序两大部分。其中，单片机程序主要包括主程序以及功能键处理程序，实际运行过程中点击显示程序和对键盘参数进行设计的程序，对运行中转速进行测量的程序等部分。在直流电机多速控制器系统中，PIC单片机扮演的是整个系统控制核心的角色，利用键盘对每一段的运行参数，诸如键盘输入电路、电源电路、基准电压电路，D/A转换电路、显示电路等进行设计。在实际应用中也能够借助电脑设置，将各项参数下载到单片机，系统运行中单片机首先对二进制的控制量进行输出，通过D/A转换电路顺利的实现将对应模拟电压输送直至直流伺服放大器中预先设定值的输入端。完成该步操作之后，伺服放大器依照输入的模拟电压情况，开始与之相对应的电压输出，以此实现对直流电机转速的控制，并在此基础上完成对直流电机同轴的光电编码器的检测，从而进行转速测量，确保在实际运行中各样数据能够被及时有效的检测，提高直流电机控制器的运作质量。有了以上的结构作保证，整个系统就可以保证顺利、科学的实现功能的有效应用。
在本系统之中所采用的伺服放大器电源需要控制在25V，运算放大器型号为OP-07士15V，D/A转换器中芯片型号为AD7545，需要控制在15V，其中PIC单片机、数码管驱动以及显示电源全部需要将电压加5V。鉴于本系统进行工作的客观情况，此次研究采用直接从市场上购买的开关电源就可以达到实验预定的要求。在转速进行实际调节的过程中，主要依靠D/A转换电路进行，在本系统中PIC单片机负责对PORTB进行转速输出，控制量保持在低八位，PORTA则负责对低四位的转速进行输出，控制方式为高四位控制量。该系统采用的是12位二进制，一旦将转速控制量进行输出转进入到D/A转换器中，芯片为AD7545将直接进行工作，其在经历两极运算放大器处理之后，最终能够输出工作中预先设定的模拟量，并将其加到伺服放大器之中。在本系统之中，电容负责向其他的构成部分进行电路补偿的提供，进行电压转换工作之后，操作人员需要对此次调节之后的速度进行测量，验证其能否满足事先预定的转换标准。位置测量元件作为整个闭环控制系统中处于举足轻重的构成部分，它的重要性体现在对位移，也就是角位移动或者是线位移动的检测上，完成检测工作之后及时的向操作人员发出反馈信号。一个结构完善的闭环伺服系统中，影响其定位精度情况以及测量精度的决定性因素，主要是受到测量元件控制的，因此必须保证测量元件质量。光电编码器作为现今条件下伺服系统中不可或缺的一种专门进行数字式速度以及位置测量的元件，在光电编码器中，增量式光电编码器主要包括光源、光电转盘以及光敏元件和光电整形放大电路四大重要部分组成，在进行速度测量的时候，将光电转盘和需要被测量的轴联接，光源则利用光电转盘的透光孔最终顺利地射到光敏元件上，一旦转盘进行旋转，光敏元件就会对外发出和转速形成正比的脉冲信号。本系统中光电编码器分成两路电路，即A相、B相进行输出，相隔T/4脉冲周期，方式为正交脉冲，具体工作时候，假如转盘沿着顺时针转，那么A相相对于B相就更为靠前，假如出现逆时针转，那么B相则超过A相。
利用逻辑表达，则为：
基于PIC单片机技术的直流电机控制器系统运行框架如下：首先进行开机初始化，该步骤完成后，利用键盘进行子程序扫描，检查键按下情况，没有出现按键按下则继续进行扫描，该过程中主机是处于待机状态的，倘若出现按键按下则会进行延时等待，等待时间为100Ms，之后再检查及是否位于闭合状态，一旦处于闭合状态，那么操作系统将直接调用按键，进行子程序键值确认，判断是设置键进入到了键盘设置的参数程序，还是运行键进入到了电机的运行程序，还是下载键进入到了参数下载的程序中，在进行检测的过程中，系统中其他的键值是需要返回进入待机状态的。在上位机界面中，由于进行人机界面的设计，对于电机转速的参数能够进行及时的设置以及串行通信。
进行转换的过程中，PIC单片机PORT B对外输出的转速控制量为低八位，PORTA的低四位输出转速的高四位控制量”12位，二进制转速控制量输入到D/A转换芯片AD7545，经过两极运算放大器最终输出的模拟量加到伺服放大器设定值输入端。
四、结论
鉴于直流电机运行环境较差、遭遇干扰情况频繁的现实，在进行PIC单片机直流电机控制器的设置过程中，无论是在硬件还是在软件方面都有效的进行了改善，这对于提高电机控制器的可靠性与实用性都是有着十分积极作用的。
参考文献
[1]李翔宇，周浚哲.基于软件锁相环直流电机转速控制算法的研究及实现[J].沈阳理工大学学报，2010（06）：102-103.
