ZSZ系列轴角编码器在伺服系统中的应用

    关键词： ZSZ轴角编码器 伺服系统 模拟速度量 传输

    在雷达、火控、导弹发射架等需要实现角位置闭环控制的伺服系统中，完成角位置测量是实现闭环控制的先决条件，在以前的伺服系统中通常应用同步机加相敏检波实现角误差测量，系统笨拙，不易实现数字化控制。近年来单片机技术在交、直流伺服系统设计中得到广泛应用，伺服系统的数字化已成为伺服系统设计的主流，为此，与之相配置的数字化轴角编码器装置得到迅速发展。数字化轴角编码器和同步发送机配合使用可以方便地完成角位置信息的数字化测量，从而用单片机控制可以方便地实现数字位置跟踪［１］，由于它使用方便，可靠性极高，对使用环境无特殊要求，因此应用前景广阔。特别是在军事装备中更是如此。目前已有ZSZ系列国产化数字轴角编码器产品。

    在交、直流伺服系统设计中，通常需要设置位置闭环和速度内闭环，用位置环保证跟踪精度，速度环保证跟踪的快速性，因此在需要角位置反馈信号的同时还需要角速度反馈信号。ZSZ系列轴角编码器自身正好有一路与系统转速成正比的模拟速度信号输出，但是对低转速伺服系统，模拟速度反馈信号的输出很低。为了实现和速度给定量的匹配，必须对此信号放大，由于这一信号受到系统信号的干扰，简单的放大处理将带来速度闭环不稳定，使这一功能应用受到限制。在文献［２］的雷达伺服系统设计中就在使用ZSZ编码器构成数字位置反馈信号的同时又在系统中配置了单独的测速发电机实现速度闭环，增加了系统成本和复杂性。本文给出了对ZSZ模拟速度反馈信号的处理方法，并成功应用于某雷达伺服系统的设计。

    由于系统设计的需要，有时用于角位置数字化的ZSZ轴角编码器和角位置信息处理的单片机之间传输距离较远，需要对并行输出的角位置信息实现正确采集和传输。本文也给出了相应设计方法，并成功应用于系统设计。

    下面以ZSZ759数字化轴角编码器在某雷达伺服系统设计中的应用为例予以说明。

    １ ZSZ数字化轴角编码器模拟速度反馈信号的处理方法

    12ZSZ759的模拟速度量输出对应编码器最高跟踪速度5r/s的输出值是10v[3]，而雷达天线的最高允许转速一般为6r/min=0.1r/s，对应此最高转速，模拟速度量最大输出电压=10V/5(r/s)×0.1(r/s)=0.2V，故VEL的输出范围是0～0.2V，属弱信号范畴，模拟速度环构成速度反馈要求电压范围是－10V～+10V（负值对应反转），因此VEL信号需放大50倍，然而，实测VEL信号受到VCO高频开关信号和100Hz电源信号（50Hz整流）的干扰，因此这里的信号放大电路不能仅用比例放大器完成。高频开关信号易于用低通滤波器和电源去耦滤除，而100Hz信号处于速度闭环通带内，必须用陷波电路滤除。实践证明，用双“T”型陷波滤波器效果较差，影响闭环稳定性。利用文献[４]的方法设计了一种实用的陷波电路。较好地解决了100Hz信号滤波问题，此陷波电路的原理如图１所示。   

　最后得出速度反馈放大电路如图2所示。

    图3(a)直流电机电枢电流波形，图3(b)是速度闭环实测滤波后的速度反馈值从电机启动阶段到稳定运行阶段的波形，由图可见100Hz信号分量得到了有效的抑制，系统稳定运行后转速运行平稳。

    ２ ZSZ轴角编码器数字位置信号的采集和远距离传输

    由于数字化轴角编码器与单片机之间有一定的传输距离（一般＞5m），因此，在单片机获取数据信息之前需要将轴角编码器输出的角位置信息进行调制、解调处理。8098为准16位单片机，只有8位数据线，而12SZ759角位置数据为12位并行输出的，对数据的采集要用分时读取的方式。当单片机的工作频率 时，系统的状态周期t=500ns，而调制解调芯片1488、1489的最高工作频率只有1Hz，满足不了单片机读、写周期的时序要求，因此，要采集到正确的角位置信息，必须先把12ZSZ759并行输出的12位角位置数字信号直接先进行调制传输，解调处理后，再由译码电路进行时序控制，让单片机分时读取。如果在调制前进行分时控制，单片机将采集不到正确的角位置数据信号。

    12ZSZ759轴角编码转换器模块内部没有数据锁存电路，为了实现数据实时准确采集，与单片机接口时，还需外加数据锁存电路。12ZSZ759模块有一“忙”信号输出端BUSY，当输入模拟信号变化一个转换器最低有效位对应的电量时，该端就输出一个约定2.5μs宽的脉冲，该信号为计算机检测转换器状态提供了极大的方便。当BUSY为高电平时，表示转换器内部正处于跟踪状态，此时的数据输出代码D0～D11为非有效数码，单片机不应采集此时的数据；当BUSY为低电平时，表示转换器内部已转换结束，此时数据输出端的数据有效，可以读取。但由于可逆计数器的输出数码D0～D11是一位一位的逐步刷新，因此在数码转换过程中存在着过渡数码。从数据最低位D0至最高位D11传递需要一定的转换时间，大约为2μs。因而单片机8098应在BUSY脉冲信号高电平变至零电平后2μs再读取数据。8098单片机与12ZSZ759的接口电路 如图４所示。

    图中，单稳触发器74LS123产生滞后于BUSY脉冲2μs的负脉冲，在负脉冲的上升沿将转换器有效转换数码传至数据缓冲锁存器74LS374的缓冲器中。数据经调制、解调处理后，由8098单片机控制时序电路，采取分时读取的方式将数据取走。

    总之，由于采用了数字化的轴角编码器，系统可靠性高，使得装备伺服系统的数字位置伺服控制易于实现，特别适用于有同步机的现有系统的数字化改造，因此，应用前景十分广阔。以上电路均已调试通过，且系统已投入使用。