摘 要： 在某雷達天線伺服系統的設計中應用了ZSZ系統軸角編碼器，解決了ZSZ軸角編碼器模擬速度量的微弱信號處理問題和數字化軸角編碼器的信號采集和遠距離傳輸問題。
關鍵詞： ZSZ軸角編碼器 伺服系統 模擬速度量 傳輸
在雷達、火控、導彈發射架等需要實現角位置閉環控制的伺服系統中，完成角位置測量是實現閉環控制的先決條件，在以前的伺服系統中通常應用同步機加相敏檢波實現角誤差測量，系統笨拙，不易實現數字化控制。近年來單片機技術在交、直流伺服系統設計中得到廣泛應用，伺服系統的數字化已成為伺服系統設計的主流，為此，與之相配置的數字化軸角編碼器裝置得到迅速發展。數字化軸角編碼器和同步發送機配合使用可以方便地完成角位置信息的數字化測量，從而用單片機控制可以方便地實現數字位置跟蹤[1]，由于它使用方便，可靠性極高，對使用環境無特殊要求，因此應用前景廣闊。特別是在軍事裝備中更是如此。目前已有ZSZ系列國產化數字軸角編碼器產品。
在交、直流伺服系統設計中，通常需要設置位置閉環和速度內閉環，用位置環保證跟蹤精度，速度環保證跟蹤的快速性，因此在需要角位置反饋信號的同時還需要角速度反饋信號。ZSZ系列軸角編碼器自身正好有一路與系統轉速成正比的模擬速度信號輸出，但是對低轉速伺服系統，模擬速度反饋信號的輸出很低。為了實現和速度給定量的匹配，必須對此信號放大，由于這一信號受到系統信號的干擾，簡單的放大處理將帶來速度閉環不穩定，使這一功能應用受到限制。在文獻[2]的雷達伺服系統設計中就在使用ZSZ編碼器構成數字位置反饋信號的同時又在系統中配置了單獨的測速發電機實現速度閉環，增加了系統成本和復雜性。本文給出了對ZSZ模擬速度反饋信號的處理方法，并成功應用于某雷達伺服系統的設計。
由于系統設計的需要，有時用于角位置數字化的ZSZ軸角編碼器和角位置信息處理的單片機之間傳輸距離較遠，需要對并行輸出的角位置信息實現正確采集和傳輸。本文也給出了相應設計方法，并成功應用于系統設計。
下面以ZSZ759數字化軸角編碼器在某雷達伺服系統設計中的應用為例予以說明。
1 ZSZ數字化軸角編碼器模擬速度反饋信號的處理方法
12ZSZ759的模擬速度量輸出對應編碼器最高跟蹤速度5r/s的輸出值是10V[3]，而雷達天線的最高允許轉速一般為6r/min＝0.1r/s，對應此最高轉速，模擬速度量最大輸出電壓＝10V/5(r/s)×0.1(r/s)＝0.2V，故VEL的輸出范圍是0～0.2V，屬弱信號范疇，模擬速度環構成速度反饋要求電壓范圍是－10V～+10V(負值對應反轉)，因此VEL信號需放大50倍，然而，實測VEL信號受到VCO高頻開關信號和100Hz電源信號(50Hz整流)的干擾，因此這里的信號放大電路不能僅用比例放大器完成。高頻開關信號易于用低通濾波器和電源去耦濾除，而100Hz信號處于速度閉環通帶內，必須用陷波電路濾除。實踐證明，用雙“T”型陷波濾波器效果較差，影響閉環穩定性。利用文獻[4]的方法設計了一種實用的陷波電路。較好地解決了100Hz信號濾波問題，此陷波電路的原理如圖1所示。
把(3)和(4)代入(2)式，得
R＝15.9kΩ，C＝0.1μs
R1＝31.8kΩ，C＝0.05μF
最后得出速度反饋放大電路如圖2所示。
圖3(a)直流電機電樞電流波形，圖3(b)是速度閉環實測濾波后的速度反饋值從電機啟動階段到穩定運行階段的波形，由圖可見100Hz信號分量得到了有效的抑制，系統穩定運行后轉速運行平穩。
2 ZSZ軸角編碼器數字位置信號的采集和遠距離傳輸
由于數字化軸角編碼器與單片機之間有一定的傳輸距離(一般＞5m)，因此，在單片機獲取數據信息之前需要將軸角編碼器輸出的角位置信息進行調制、解調處理。8098為準16位單片機，只有8位數據線，而12ZSZ759角位置數據為12位并行輸出的，對數據的采集要用分時讀取的方式。當單片機的工作頻率fOC＝6MHz時，系統的狀態周期T＝500ns，而調制解調芯片1488、1489的最高工作頻率只有1MHz，滿足不了單片機讀、寫周期的時序要求，因此，要采集到正確的角位置信息，必須先把12ZSZ759并行輸出的12位角位置數字信號直接先進行調制傳輸，解調處理后，再由譯碼電路進行時序控制，讓單片機分時讀取。如果在調制前進行分時控制，單片機將采集不到正確的角位置數據信號。
12ZSZ759軸角編碼轉換器模塊內部沒有數據鎖存電路，為了實現數據實時準確采集，與單片機接口時，還需外加數據鎖存電路。12ZSZ759模塊有一“忙”信號輸出端BUSY，當輸入模擬信號變化一個轉換器最低有效位對應的電量時，該端就輸出一個約定2.5μs寬的脈沖，該信號為計算機檢測轉換器狀態提供了極大的方便。當BUSY為高電平時，表示轉換器內部正處于跟蹤狀態，此時的數據輸出代碼D0～D11為非有效數碼，單片機不應采集此時的數據；當BUSY為低電平時，表示轉換器內部已轉換結束，此時數據輸出端的數據有效，可以讀取。但由于可逆計數器的輸出數碼D0～D11是一位一位的逐步刷新，因此在數碼轉換過程中存在著過渡數碼。從數據最低位D0至最高位D11傳遞需要一定的轉換時間，大約為2μs。因而單片機8098應在BUSY脈沖信號高電平變至零電平后2μs再讀取數據。8098單片機與12ZSZ759的接口電路如圖4所示。
圖中，單穩觸發器74LS123產生滯后于BUSY脈沖2μs的負脈沖，在負脈沖的上升沿將轉換器有效轉換數碼傳至數據緩沖鎖存器74LS374的緩沖器中。數據經調制、解調處理后，由8098單片機控制時序電路，采取分時讀取的方式將數據取走。
總之，由于采用了數字化的軸角編碼器，系統可靠性高，使得裝備伺服系統的數字位置伺服控制易于實現，特別適用于有同步機的現有系統的數字化改造，因此，應用前景十分廣闊。以上電路均已調試通過，且系統已投入使用。
參考文獻
1 盧飛星等.單片微機控制雷達天線控制系統的設計.現代雷達，1999;21(4)
2 王廣明等.單片機控制的測雨雷達數字直流伺服系統的設計.火控雷達技術，1998;27(1)
3 中船七一六所編.ZSZ系統軸角編碼器產品說明書.連云港，1996
4 袁南兒等.計算機測控系統中模擬陷波器的特性和設計.電氣傳動，1996;25(5)