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基于光電編碼的電動執行機構行程部件的開發

一、引言

    電動執行機構是工控領域中廣泛應用于控制閥門開啟和閉合的一種電動驅動裝置，通過遠方和就地控制信號實現對閥門的行程控制。傳統的電動執行機構控制系統中，行程部件大部分采用機械行程和限位開關來實現閥門開度的調節和限位控制，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，而且機械式行程部件在進行閥位調試時，需要對電動執行機構進行開蓋操作，給工業現場安裝、調試及維護工作帶來極大的不便。光電編碼器是一種集光、機、電為一體的數字化位置檢測裝置，它具有分辨率高、精度高、結構簡單等優點。光電編碼器應用于電動執行機構，是一種技術上的更新與突破，實現了電動執行機構的電子行程控制方式，大大提高了電動執行機構的行程精度。

二、設計原理

1、電子行程部件設計原理

    電動執行機構控制器的內部包含了位置信號感應裝置、力矩感應裝置、邏輯控制裝置以及數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統一調用管理。電子行程傳動部件結構如圖1所示。光電編碼器作為位置信號感應裝置部件，安裝在電動執行機構行程軸上，行程軸另一端通過齒輪聯接到蝸輪軸上。當電機開向或關向運行時，蝸桿直接帶動蝸輪旋轉，蝸輪的位移變化通過行程軸傳輸到光電編碼器端，光電編碼器完成位移信號的檢測；檢測信號再經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，通過計算光電編碼器每秒種輸出的脈沖的個數，即可轉換成當前電機運行速度；此外，通過捕捉兩路相位相差90°的脈沖信號，并在主控制器CPU的中斷程序里對兩路脈沖信號進行脈寬計數和脈沖波形變化判斷，可以對電動執行機構的運行速度、位移變化及旋轉方向做出判斷和處理。另外，在切除電動執行機構外部動力電源的情況下，手動旋轉電動執行機構手輪時，光電編碼器仍能保持行程計數功能，電動執行機構具備斷電閥位保持功能。

2、光電編碼器設計

    光電編碼器作為電子行程位置感應裝置，是一種集光、電一體，將旋轉位移、速度等物理量轉換成電信號的位置速度傳感器。光電編碼器采用相對編碼計數，輸出脈沖信號采用32位CPU芯片進行處理，使得電動執行機構可以應用于多回轉、大行程的閥門裝置中。根據DL/T641-2005《電站閥門電動執行機構》標準要求，電動執行機構行程重復偏差：≤±5°（多回轉），≤±1°（部分回轉）。光電編碼器中光柵盤采用低線數45線設計。根據電動執行機構的機械傳動結構，電動執行機構輸出軸旋轉一圈時，產生脈沖個數為360個，使得電動執行機構的行程控制精度保持在1°，符合標準設計要求。

    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中，每圈設計成45個筋、45個孔，如圖2所示。光柵盤由電機驅動旋轉，旋轉時筋孔交替切割紅外傳感器，產生兩路類似正弦波的脈沖信號，經整形電路對該波形處理，zui終輸出兩路方波信號。光電編碼器安裝如圖3所示。

    當電機開、關向運行，閥位發生變化時，光柵盤同步進行旋轉運動，光電編碼器輸出兩路正交脈沖，脈沖信號如圖4所示。

二、電路設計

1、光編信號產生電路

    光電編碼器波形產生電路如圖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，它們的節距和光柵盤上的節距相等，兩組透光縫隙錯開1/4節距，使得雙光電二極管輸出的脈沖信號在相位上相差90°電度角。波形采集電路輸入端電阻R1、R2阻值為330Ω，傳感器負載電阻R3、R4阻值為1.5kΩ。在光柵盤旋轉運行過程中，光電傳感器位置固定不動，光線透過光柵盤間斷、交替地穿過雙晶體管，產生兩路相位相差90°的脈沖信號。

2、光編信號采集電路

    波形產生電路輸出的兩路脈沖信號，需要經過整形電路進行波形整形，經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、光編信號采集電路

    光電編碼器輸出的兩路位置檢測信號，經過整形電路整形后，傳送至電動執行機構主控制器CPU端口。主CPU通過端口中斷方式，在兩路脈沖信號每次發生跳變時，會產生一次端口中斷，由CPU中斷處理程序完成一次脈沖信號的計數和方向判斷。光電編碼器結構簡單，信號穩定，數據處理比較容易，但在主電源斷電情況下，需要電池供電保持閥位計數，一旦電池電壓過低或無法供電，電動執行機構閥位容易丟失，給現場生產運行帶來不便。所以在光編信號采集電路中設計了電池省電方式，當主電源停止供電時，主CPU自動切換至低功耗工作方式，同時關閉光電編碼器供電電源。為保證主電源斷電過程中閥位計數功能，采用20ms定時喚醒方式，每隔20ms打開一次光電編碼器電源開關，判斷閥位是否發生變化。圖7為光編信號采集電路，在正常運行狀態下，BMQ_C引腳輸出低電平，三極管Q102導通，V9XX為光電編碼器供電。當主電源停止供電時BMQ_C引腳輸出高電平，三極管Q102關閉，光電編碼器供電電源斷開，進入省電模式。

    在光編信號采集電路中，主控制CPU通過采集兩路脈沖信號，經過數據分析和方向判斷，計算出當前閥位狀態，然后通過串行總線，將閥位數據傳送至人機對話模塊，通過人機界面顯示出當前閥位狀態。

三、應用

1、出現的問題

    電動執行機構輸出軸轉速范圍一般為5～160r/min。不同規格型號的電動執行機構，其轉速相差較大。對于高轉速型電動執行機構，輸出軸輸出速度較快，光電編碼器的光柵盤隨之高速旋轉，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，變為不理想的脈沖方波，導致光電編碼器在高速運行時會出現性能不穩定情況。

2、問題分析

    不同條件下（波形產生電路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的下降沿隨著信號產生電路上R3、R4阻值的增大變得越來越平緩，經過雙非門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。這是因為在5V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），所以當光電編碼器輸出端信號的下降沿越來越平緩時，電壓下降時間也隨之增加，雙非門U1的輸出端信號的低電平時間會變長，即低電平寬度變寬，高電平寬度變窄。雙非門U1的輸出端信號還要經過一個三極管反向后輸出到光電編碼器輸出端，所以，此時編碼器輸出端信號的高電平寬度變寬，低電平寬度變窄。受此影響，光電編碼器兩路輸出信號形成的相交脈沖信號也比較窄，這樣就很容易造成光編信號采集端信號采集困難或造成脈沖信號丟失。從圖上數據分析，當R3=R4=5.1K時，相交脈沖信號間隔時間約為50μs，此時光柵盤轉速約為1875r/min，當轉速達到2500r/min甚至更高時，間隔時間更短，從而影響CPU中斷讀取時間，造成數據丟失。因此，傳感器輸出端電阻R3、R4阻值取值不能太大。

    另外，根據電路分析及采集信號圖，光電編碼器器輸出端信號的電壓峰值隨著R3、R4阻值的減小而變小。由圖8（a）可以看到，當R3=R4=1K時，VR3、VR4約為4.1V，但在實驗過程中發現，R3=R4=1K時，VR3、VR4有時不能達到2.7V，即達不到雙非門U1的門檻電壓VT+，所以會造成光電編碼器沒有信號輸出。在同樣的條件下之所以會出現兩種不同的結果，是因為器件的離散性造成的，傳感器的輸出信號為模擬信號，所以傳感器的輸出效果跟器件本身有很大的關系，即同一器件在同一條件下有可能產生不同的模擬信號，雙非門U1輸出端的信號就會隨之變化，如果相差較大，那么得到的結果也會有較大區別。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R3=2.2K、R4=2.2K時，VR3、VR4約為4.4V；R3、R4取值大于2.2K時，VR3、VR4也都約為4.5V。

    綜合分析考慮，為適應高速型電動執行機構和不同的電源供電方式（5VDC、3.3VDC），光電編碼器信號產生電路R3、R4阻值大小設置為1.5K較為合適。

四、結語

    采用光電編碼器作為電動執行機構行程檢測部件，使電動執行機構實現了電子式行程設計，提高了閥門行程精度和閥位分辨率，實現了閥門的定位，有效地簡化了電動執行機構的調試過程，提高了現場調試效率，方便現場維護。