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        1 概述
        電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工控領(lǐng)域中廣泛用于控制閥門的開啟和閉合的一種電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，它通過電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)輸出軸的旋轉(zhuǎn)，通過控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對特定閥門的行程控制。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的內(nèi)部包含了位置感應(yīng)裝置、力矩感應(yīng)裝置、邏輯控制裝置以及數(shù)字通信模塊等控制核心。光電編碼器作為位置感應(yīng)裝置，是一種集光、電一體，將旋轉(zhuǎn)位移、速度等物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種位置速度傳感器。光電編碼器由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)發(fā)出脈沖信號(hào)，根據(jù)對脈沖信號(hào)的判斷可以對旋轉(zhuǎn)的速度、位置做出分析和處理。
        光電編碼器作為一種位置計(jì)數(shù)裝置應(yīng)用于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中有其獨(dú)到的特點(diǎn)。首先，光電編碼器采用相對編碼計(jì)數(shù)，輸出脈沖信號(hào)采用32位MCU芯片進(jìn)行處理，*大可以儲(chǔ)存232個(gè)脈沖數(shù)值，這使得電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用于多回轉(zhuǎn)、大行程的閥門裝置中；其次，光電編碼器中光柵盤采用低線數(shù)45線設(shè)計(jì)，根據(jù)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程控制精度保持在1°；另外，光電編碼器適用于電動(dòng)控制，在切除外在電力驅(qū)動(dòng)的情況下手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪，光電編碼器仍能保持行程控制精度并同時(shí)具備斷電閥位保持功能。
        2 結(jié)構(gòu)
        光電編碼器由45線光柵盤以及直射式紅外光電傳感器電路部分組成。將圓形光柵盤（見圖1）安裝在直射式紅外光電傳感器當(dāng)中，其中光柵盤每圈設(shè)計(jì)成45個(gè)筋，45個(gè)孔，光柵盤由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)筋孔交替切割紅外傳感器，產(chǎn)生兩路類似正弦波的脈沖信號(hào)，經(jīng)整形電路對該波形處理，*終輸出兩路方波信號(hào)。光電編碼器安裝如圖2所示。

圖1 光柵盤的結(jié)構(gòu)

圖2 光電編碼器安裝示意圖 

    
        3 工作原理
        光電編碼器實(shí)現(xiàn)脈沖方波的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)原理圖

        波形采集電路如圖4所示。N2為光電傳感器ST257C，采用雙光電晶體管，光束中心間距為0.7mm，輸入端電阻R1、R2均為330Ω，傳感器負(fù)載電阻R3、R4均為2kΩ。在光柵盤不斷旋轉(zhuǎn)過程中，光線間斷地穿過晶體管，測量到輸出端P1、P2的波形如圖5所示。

圖4 波形采集電路    

圖5 光電傳感器輸出端兩路波形圖

        波形處理電路如圖6所示。傳感器輸出波形后，在整形電路中，經(jīng)過三極管電路進(jìn)行反向輸出，之后經(jīng)過思密特雙非門再一次反向輸出。在P1'、P2'端輸出脈沖方波。

圖6 波形處理電路

        波形輸出電路如圖7所示。波形經(jīng)思密特門反向輸出后，再經(jīng)過三極管電路反向輸出，在P1''、P2''得出*終所需脈沖方波。
        測量到輸出端P1、P2的波形如圖8所示。

圖7 波形輸出電路

圖8 *終輸出脈沖波形圖

        4 實(shí)現(xiàn)過程
        從以上原理分析可見，自傳感器輸出的波形因受到光電傳感器通斷速度的影響，波形并不為理想的脈沖方波，因此在波形處理電路中使用反向電路實(shí)現(xiàn)方波。    
        4.1 波形采集部分
        根據(jù)ST257C光電特性，輸入端電阻的測試條件為I=20mA，因?yàn)楣怆娋幋a器需適應(yīng)5VDC、3.3VDC兩種電源供電方式（由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)決定），所以輸入端使用兩個(gè)330Ω電阻并聯(lián)，5V/20mA＝250Ω，3.3V/20mA＝165Ω，165Ω=330Ω/2＜250Ω。
        傳感器負(fù)載電阻給出參考值為10kΩ，通過大量實(shí)驗(yàn)，當(dāng)負(fù)載電阻為10kΩ時(shí)，傳感器輸出波形下降沿過渡平緩，波形質(zhì)量并不理想。在實(shí)驗(yàn)過程中不斷更換負(fù)載電阻值，從1kΩ到10kΩ，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)負(fù)載電阻值變大時(shí)，傳感器輸出波形下降沿過渡時(shí)間變長。
        經(jīng)分析，光電三極管的開關(guān)性能與消耗在本身上的電流有關(guān)，當(dāng)電源電壓固定而負(fù)載電阻變大時(shí)，回路中總電流變小，則經(jīng)過三極管的電流變小，三極管的開關(guān)速度變低，因此，當(dāng)負(fù)載電阻逐漸變大時(shí)，三極管的開關(guān)時(shí)間逐漸變長。這也是上述波形在下降沿過渡時(shí)間變長的原因。
        因?yàn)楣怆妭鞲衅鲗儆陔x散性器件，傳感器輸出信號(hào)為模擬量信號(hào)，輸出的信號(hào)效果與器件本身有很大關(guān)系，即同一器件在相同的測試環(huán)境下輸出的信號(hào)會(huì)有很大差別，所以輸出波形均有不同程度的誤差。
        通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)負(fù)載端電阻阻值選擇在1~2.2kΩ時(shí)，傳感器本身輸出波形質(zhì)量比較均衡，經(jīng)過整形電路之后的方波波形，電壓值為4.4V、4.5V，每一路方波的高電平寬度與低電平寬度比較均衡，兩路方波中，相鄰*近的兩路脈沖沿變化時(shí)間間隔為50~100μs。該分辨率完全滿足電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對于行程的計(jì)數(shù)與力矩的檢測要求。
        4.2 波形處理部分
        傳感器輸出波形后，在整形電路中，經(jīng)過三極管電路進(jìn)行反向輸出，然后經(jīng)過思密特雙非門再一次反向輸出。
        使用三極管電路作為思密特雙非門的輸入，是因?yàn)樵撾p非門工作時(shí)有兩個(gè)門檻電壓，在5V供電電源下，高電平門檻電壓約為3V，低電平門檻電壓約為1.7V；在3.3V供電電源下，高電平門檻電壓約為2.09V，低電平門檻電壓約為1.1V。當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，集電極輸出低電平波形，電壓約為1V，當(dāng)三極管截止時(shí)，集電極輸出高電平波形，電壓約為5V，所以，在兩種電源供電方式下，無論三極管導(dǎo)通或截止，從集電極輸出的波形電壓都能避免雙非門的門檻電壓，使雙非門進(jìn)入正常工作狀態(tài)。雙非門的工作原理如圖9所示。

圖9 雙非門工作原理示意圖

        經(jīng)過上述整形電路后，從雙非門輸出的波形是比較均勻的方波脈沖信號(hào)，該方波脈沖信號(hào)的電壓值，高電平時(shí)約4.9V，低電平時(shí)約0.1V。
        4.3 波形輸出部分
        從雙非門輸出的波形，再次經(jīng)過三極管反向輸出，得出*終需要的脈沖方波。
        該方波脈沖信號(hào)輸出，既要適應(yīng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中行程的計(jì)數(shù)，也要適應(yīng)力矩的檢測，即速度的反饋。在2SA8電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中，行程端計(jì)數(shù)的承受電壓約為5V，而與變頻器相連接的力矩端檢測端口的電壓值為24V。如果直接將雙非門的輸出波形連接至變頻器，則24V的電壓必然會(huì)將該雙非門燒壞。所以，在雙非門的輸出端連接三極管電路，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能，以適應(yīng)5V和24V兩種電壓等級。
        5 應(yīng)用總結(jié)
        光電編碼器應(yīng)用于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一種技術(shù)上的更新與突破。以往在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中，大部分使用行程開關(guān)與力矩開關(guān)來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程和輸出力矩，控制精度依賴于機(jī)械開關(guān)的技術(shù)，實(shí)際調(diào)試也很繁瑣，需通過組合齒輪逐步調(diào)試，并且需要開蓋操作。
        使用光電編碼器作為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程和力矩控制元件，在提高控制精度的同時(shí)，有效簡化了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)試過程，提高調(diào)試效率，工作人員無需開蓋操作，只需按照電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行菜單提示，即可完成全部的行程與力矩調(diào)試工作，輕松而可靠。
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