基于絕對編碼器的數據采集

0 引言
在跟蹤控制系統中，控制精度總是受各方面因素的影響。控制系統功能和性能的實現受數據采集的影響，具體有傳感器采集數據、數據傳輸的方式、算法處理及輸出控制等4個基本環節，每個環節都有可能產生誤差，環節之間也有誤差傳遞，從而影響跟蹤控制精度。在這些環節中，數據源是重要的一環，沒有準確的數據來源會對相應的控制模式帶來影響。

1 數據采集的編碼實現
跟蹤控制系統所需采集的數據為跟蹤運行軌道上的平面坐標的變化速度，跟蹤系統通過平面坐標的變化特征跟蹤軌道，而跟蹤軌道由兩組電機進行控制，故對數據的采集也就變成了對兩組電機轉速的采集。數據采集用的傳感器，可以采用由旋轉變壓器構成的模擬編碼器。旋轉變壓器產生的是模擬信號，通過對主副線圈產生的信號進行誤差補償最后形成所需信號，該信號還要經過A／D轉換。很明顯在高精度控制情況下，這種方式產生的誤差大，誤差補償有限。也可以采用基于光電原理的數字式傳感器，這類傳感器進行數據采集時采用的是Eltra編碼器，為了配合跟蹤控制系統的需求選用了單轉絕對編碼器。單轉絕對編碼器的內部結構是一個具有編碼的圓盤，通過光電轉換，把光脈沖轉換為電脈沖，再經過信號處理，形成數據信號的編碼系列。對單轉絕對編碼器而言，它的編碼位置是由輸出代碼的讀數確定的。在一圈里，每個位置的輸出代碼是唯一的，這樣的好處是：當電源斷開時，絕對型編碼器并不與實際位置分離；當電源再次接通時，編碼器的讀數仍然是當前的有效讀數。編碼器的輸出代碼用于確定具體的位置，編碼采用二進制碼便于對信號進行處理，從而得到實際位置的讀數。從內部的光電轉換結構看，二進制碼是直接從圓形光盤的轉動所產生的光電轉換脈沖取得的，從一個編碼變到另一個編碼時，如果采用順序二進制碼，位置的同步和采集就變得非常困難。
如4位二進制數由7(0111)變換到8(1000)時，順序二進制碼的每一位都改變了狀態，要求同一瞬間同時改變狀態是不可能的，這使得在改變狀態的過渡時刻得到的編碼讀數有可能完全是錯誤的。為了克服這一問題，在數據采集的編碼中采用格雷碼，這樣就解決了順序二進制碼存在的問題。

2 編碼器的接口
跟蹤控制系統的中控室與數據采集點的距離較遠，為了保證數據在傳輸過程中不受外界電磁干擾的影響，選用了SSI(Synchronization Serial Interface，同步串行接口)絕對編碼器，從數據采集點到中控室之間的數據傳輸采用RS 422標準。RS 422是全雙工的傳輸方式(同一時間既可以發送，又可以接收)，RS 422標準是雙平衡信號方式，接口采用平衡驅動器和差分接收器的組合，在較遠距離信號傳輸過程中，利用信號差分特點，消除在傳輸過程中外界電磁干擾的影響。但仍然需要處理信號同步問題，Eltra提供的絕對編碼器需要外界提供時鐘觸發信號，以啟動單穩態電路，在單穩態電路的控制下實現信號的轉換、存儲和發送。Eltra具有SSI接口的絕對編碼器所需的時鐘激勵信號如圖1所示。

由圖可知，要使絕對編碼器正常工作，必需要由外部提供時鐘信號，將所產生的差分時鐘信號用作絕對編碼器開始工作所需要的同步時鐘激勵信號，這樣設計使編碼器的工作穩定性得到了極大地提高。同步問題的解決使采集數據的誤差降低，對跟蹤控制系統整體跟蹤精度的提高起到了決定性的作用。