基于单纤双向技术的电机绝对位置检测方法*

宿荣凯 ， 张 涛 ， 孙金根 ， 张 胜 ， 王方玉

（1.沈阳理工大学自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.中国科学院沈阳自动化研究所中国科学院网络化控制系统重点实验室，辽宁 沈阳 110016；3.中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳 110016；4.中国移动通信集团辽宁有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110068）

0 引 言

随着现代工业的发展，电驱动伺服单元的应用愈加广泛。在工业的运动控制领域中，无论是旋转运动，还是直线运动，均需要一定精度的位置检测装置反馈执行器实时位置信息。使用金属线介质传输信息不仅在带宽上受到限制，而且在大型设备中，远距离传输线通常会对通信的信号完整性和电磁兼容工作带来挑战。在机器人等复杂设备中，功率线缆与信号线缆并行、交叉穿行于金属腔体内部，不同的电机在同时工作时，会发生功率线对信号线干扰、信号线之间互扰，以致通信错误，伺服单元无法工作的情况[1]。

光纤传输具有频带宽、传输容量大、损耗小、传输距离远、抗电磁干扰性好、保密性好等一系列明显的优点。将光通信应用于工业现场设备及机器人伺服位置反馈可以解决带宽限制以及信号干扰等问题，能够提高控制实时性、增强反馈可靠性，在目前流行的总线式控制方案中尤为适用。

现有的光纤位置反馈方案多采用收、发各用一条光路，共需两条光纤完成，这种方案可能会引起资源的严重浪费。同时由于光通信的收发器和光纤的成本较高，并且双纤并排时线缆的弯折受到一定的限制，因此使用单纤完成信息的双向传输成为了优选方案[2]。

本文基于单芯双向技术，应用多圈绝对值编码器，设计完成了一套高性能电机绝对位置检测方案，并通过实验证明了其有效性。

1 单纤双向技术原理

目前应用较为广泛的单芯双向通信技术有：副载波（Subcarrier Detection，SCD）双向技术、偏振式（Polarization Bidirectional Communication，PBC）双向技术和波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）双向技术等[3]。

其中，副载波双向传输技术采用Y型耦合器将光域中来去两个方向的信号连接在一起，并利用Y耦的方向性加以区分，如图1所示。但由于存在“自发自收”的干扰，所以需要利用调频技术和频分（Frequency Division，FD）技术，使得光纤两端传输频率互不相同的光信号，将来去两个传输方向的频带错开，从而实现光信号的双向传输。其优点是成本低，技术发展成熟且容易实现[4]。

图1 副载波传输系统原理图

偏振式单芯双向通信利用光的偏振原理，在信号发送端通过光发送机发出的光信号经过起偏器后，通过光纤发往接收端，在信号接收端通过检偏器让平行于检偏器偏振化方向的入射光信号通过，同时使同端的起偏器与入射偏振光信号的光振动方向相互垂直，克服信号的自发自收现象，从而实现光信号在单芯中的双向传输，图2为偏振式双向传输原理图。其优点是可以成倍增加通信容量，可以更加有效地利用带宽资源。

图2 偏振式双向传输系统原理图

波分复用技术利用一根光纤同时传输多个光载波，它们各有不同的波长，而每一光载波独立传输一组信号，波分复用原理就是充分利用了光纤宽带的传输特性，从而实现多种信息的传输，为防止端口的发送和接收光信号相互干扰，也需要利用调频技术和频分（FD）技术[5]，如图3所示。实现波分复用技术主要技术为光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）技术，传输距离的长短会直接影响到放大器所产生噪声的积累程度，因此需要将EDFA技术在实际应用中根据目标距离使其保持最佳的级联方式，传输系统中波分复用器的使用能够使光纤得到最大化的节约，同时大大增长了光纤的承载能力，使光纤更加有效的利用，在远距离的传输过程中能够节约光纤放大器的使用数量，减少成本[6]。相比于其他两种传输方式，波分复用具有传输距离长、容量大等优点，WDM系统中的EDFA技术能将光的范围扩大，使整个WDM系统能够覆盖1550nm的波长范围，时至今日，WDM可以传输数百千米，大大减少了中继设备，降低了传输成本；WDM中通路速率快，通路数量可达到32条以上，容量可比其他的通信技术大1倍左右[7]。

图3 波分复用单芯双向传输系统原理图

在单芯双向传输系统中，同一根光纤中同时传输两路相反方向的光信号，能够匹配双工的信号传输工作方式，利用分光透镜电路对往返的两个光载波进行合成和分离的处理，实现光信号的双向传输，这也是较传统的信号传输技术的新的突破点，其光路示意可见图4。

图4 单纤双向波分复用透镜内光路

综上比较，本文采用波分复用式单芯双向技术，光波分模块采用流行的往返波长为1 310 nm和1 550 nm的器件。

2 编码器光电转换电路与通信协议

编码器通常分为增量式、绝对式及混合式光电编码器三类。增量式编码器的优点是装置比较简单、易于实现，编码器平均寿命长、分辨率高，缺点是没有记忆能力，一旦运行中出现突然断电停机的情况，故障后不能恢复故障前所在位置[8]。绝对式编码器结构是绝对码盘配合机械齿轮，优点是能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，在故障停电时，或在虽然通电，但无数据读出的情况下，轴位置能保留和记忆。缺点是结构复杂、成本高[9]。

本文采用混合式多圈绝对式光电编码器，能够进行转轴旋转次数的检测与信息记忆，以及一转内对绝对角度的检测、信号修正、数据处理、信号传输，具有很强的灵活性[10]。其结构如图5所示。

图5 混合式多圈绝对式光电编码器

如图5所示，可以将混和式编码器其看成是一个单圈绝对式光电编码器和一个增量式磁性编码器的组合。其中光电编码器在单转内实现高分辨率、高精度的绝对位置检测，输出信号为不归零码（Non-return to Zero，NRZ）形式信号。而磁性编码器用来检测多圈转数，然后采用大规模集成电路和专用CPU将多圈数据、单圈数据及状态信息组合，一同使用数据线传出。编码器外接+3.6 V备用电源，当系统在运行中突然掉电时，可以实现对轴位置和多圈转数的保存。

为了使单纤双向通信能够应用于复合编码器位置检测装置之中，最主要的问题是实现信号在光电之间的转换，这是整个位置检测方法的难点之一，设计结构如图6所示。本系统采用MAX485芯片收发编码器的差分电信号，差分驱动器将原始信号滤波、整形、电平转换后发送到光纤驱动电路，光纤驱动电路驱动光电激光管发射光纤信号，其波长为f1，其中f1为1 310 nm或1 550 nm。当驱动电路接收波长为f2（f1=f2）的光信号时，该驱动电路中产生信号SD，利用该信号实现对485芯片的发送禁止控制，可以避免信号在传输过程中的自收自发现象。同时，从光纤接收的信号经差分接收器处理转换后，通过485芯片发送给编码器，完成通信过程。

图6 光电转换适配电路

文中所用的编码器具有单圈内17位的分辨率，可达到的最小分度为0.002 7角度。多圈计数容量为16位，最多可计数65 535圈，可以满足绝大多数的伺服工控系统的要求。除此之外编码器还具有状态检测和故障报警功能，图7为编码器串行发送数据时的NRZ码帧格式。该组数据由11组字段组成，其中包括单圈位置信息、多圈数据信息、编码器的工作状态信息以及CRC校验码[11]。

图7 编码器串行发送数据时的帧格式

图7中所示为完整帧格式，实际使用中如果不是每个周期都需要多圈信息和状态检测信息的话，驱动器可改变命令字，编码器可以返回部分帧数据。串行通讯波特率最高可达5 Mbit/s，可以在几微秒至几十微秒内完成一次通讯，完全可以满足常见电伺服驱动器的要求。

单纤双向技术检测电机绝对位置的工作过程为：首先由电机驱动器向编码器发送命令字，信号通过编码器电光转换、光纤的波分复用技术以及编码器光电转换发送到编码器，编码器跟据收得的命令字发送相应的轴位置和多圈数据信号，计算如式（1）、式（2），再通过光纤和收发模块，将电机位置信息返回给驱动器。

由驱动器应用式（1），可以计算转子机械角度θM，从而计算出电机转子位置。

其中：Qcount为编码器返回计数，Qbias为安装偏移量，n为编码器位数。

电机转速的测量方法有M法和T法，在高速时使用M法，低速使用T法进行转速计算，由式（2），进行M法计算电机转速SM，进而对电机的运行的稳定性进行控制。

其中：Fs为速度采样频率。

3 实验系统测试

为了验证方案的可行性，搭建了电机实验系统进行测试，测试平台布置情况可见图8。

图8 实验平台布置情况

该实验平台主要由驱动器、光纤和收发模块、编码器、电机和示波器组成。其中示波器型号为TDS2024B，驱动器采用TMS320F28335PT作为主控芯片，AU5561N1作为编码器通信芯片，二者之间使用外部存储器接口进行连接，收发器型号为HFBR-1404/2406,其在25℃，Vcc=5.0Vdc条件下平均接收灵敏度-34.4 dBm，发送光功率为-15.2 dBm。应用主磁极矢量控制，PS21265为功率模块，PWM频率为12 kHz，驱动电机运行。电机型号为11STM04030H，功率为1.2 kW，3对极永磁同步电机。

实验所用编码器与驱动器之间传输速率为2.5 MHz和5 MHz，这取决于编码器的特性，目前已知可以支持的编码器与驱动器之间的传输速率已近百兆[12]，在整个传输过程中的损耗由光纤的损耗特性决定，有光纤传输总损耗（衰减）公式：

式中：P1(λ)为入射光功率；P2(λ)为射出光功率。光纤的衰减系数a1为：

在检测光纤质量时候，光纤的衰减系数是一个重要的参数[13]。国家规定光纤全程衰减系数为：

标准光纤在1 310 nm、1 550 nm损耗系数分别为0.2 dB/km、0.35 nm/km。

本实验所用1 550 nm波长的光接口类型HFBR- 1404/2406，按照式（4）、式（5），计算可传输距离为L=17 km，1 310 nm波长的最大传输距离L=10 km，由以上推导可知，光纤的距离为10 km甚至更远。

但由于实验室条件限制，在实验过程中驱动器和编码器采用2.5 MHz的频率经10 m光纤来验证双向通信过程，实验过程中使用可调节光纤衰减仪[14]来模拟不同的光纤长度。图9为经光电转换还原为电信号的实测通信波形。经长时间工作测试，从图9中可以看出，通信波形良好，系统状态良好，没有检测到误码情况的发生。

图9 通信波形

图10为电机实际运行测得的波型，图中电机转子角度为电角度，归一化后单位为“1”；图10（b）为三相定子电流。由波型可见电机运行平稳，转子位置测量连续。

图10 电机角度数值与相电流波形

4 结 语

本文首先深入研究了几种主要的单纤双向通信技术，介绍了复合式多圈绝对值编码器，详细介绍了一种应用波分复用式单纤双向技术进行电机编码器位置反馈的方案，并通过搭设实验平台验证了应用WDM技术单纤双向通信的可行性。

实验证明，应用本文的方案，可以明显提高编码器串行通信的实时性、可靠性、传输速率以及传输距离，减少光纤数量，节约布线成本，提高了通信质量。其优良的抗干扰特性尤其适用于机器人等复杂电磁环境的场合。