光電軸角編碼器的細(xì)分誤差快速測(cè)量系統(tǒng)

　引 言

　　光電軸角編碼器,又稱(chēng)光電角位置傳感器,是一種集光、機(jī)、電為一體的精密數(shù)字測(cè)角裝置,它把軸角信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼,與計(jì)算機(jī)和顯示裝置連接后可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量和實(shí)時(shí)控制。隨著編碼器在工業(yè)、國(guó)防、航天等部門(mén)的廣泛應(yīng)用,對(duì)編碼器的技術(shù)指標(biāo)提出了越來(lái)越高的要求。測(cè)角誤差是編碼器的重要技術(shù)指標(biāo),細(xì)分誤差是測(cè)角誤差的主要分量,細(xì)分誤差的檢定要求用精密的小角度測(cè)量?jī)x器|儀表在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行,且檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)。為了存編碼器使用現(xiàn)場(chǎng)快速及時(shí)地檢測(cè)出編碼器的細(xì)分誤差,研制了一種編碼器的細(xì)分誤差快速測(cè)量系統(tǒng),將編碼器精碼的光電信號(hào)采集到計(jì)算機(jī),進(jìn)行諧波分析,計(jì)算出編碼器的細(xì)分誤差。

　　1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　1.1 系統(tǒng)硬件

　　該系統(tǒng)的核心器件是TMS320F2812和MAX125。TMS320F2812是TI公司的一款高速DSP處理芯片。本系統(tǒng)采用1片DSP芯片控制2片A／D轉(zhuǎn)換芯片。圖1所示為DSP控制2片轉(zhuǎn)換芯片的系統(tǒng)框圖。

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　　1.2 TMS320F2812

　　C281x系列DSP是TI公司最新推出的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器,是基于TMS320C2000數(shù)字信號(hào)處理器平臺(tái)開(kāi)發(fā)的,其代碼與24x／240x數(shù)字信號(hào)處理器完全兼容。

　　C281x處理器采用C／C++編寫(xiě)軟件,其效率高,用戶(hù)不僅可以應(yīng)用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)系統(tǒng)程序,也可采用C／C++高效率的數(shù)學(xué)算法。C281x系列數(shù)字信號(hào)處理器在完成數(shù)學(xué)算法和系統(tǒng)控制等任務(wù)時(shí)都具有較高的性能,這樣,就避免了用戶(hù)在1個(gè)系統(tǒng)中需要多只處理器的麻煩。C281x處理器內(nèi)核包含了1個(gè)32位×32位的乘法累計(jì)單元,能夠完成64位的數(shù)據(jù)處理能力。從而使該處理器能夠完成更高精度的處理任務(wù)。 1.3 MAX125

　　MAX125是一款帶多路采樣保持器的高速14位A／D轉(zhuǎn)換芯片。該芯片包含1只14位,轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs的逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器,1個(gè)+2.5 V的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)。每一個(gè)采樣保持器都對(duì)應(yīng)2路輸入信號(hào),一共可以接收8路信號(hào)輸入。輸入電壓為±5 V。芯片具有±17 V輸入電壓保護(hù)。

　　MAX125采用的是并行數(shù)據(jù)接口,和DSP的數(shù)據(jù)存取時(shí)序相同,與DSP通信時(shí)不需要等待周期,可以達(dá)到很高的通信速率。單路轉(zhuǎn)換的最高速率為250 ksps,4路最高速率為76 ksps。

　1.4 軟件控制流程

　　要分析編碼器在工作時(shí)的細(xì)分誤差,數(shù)據(jù)采集速率要在100 ksps以上。本系統(tǒng)采用2片A／D轉(zhuǎn)換芯片,分時(shí)采集編碼器的4路信號(hào),當(dāng)讀其中一片芯片的數(shù)據(jù)時(shí),啟動(dòng)另一芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換。采用本方法4通道的最高采樣速率可達(dá)120 ksps以上,2通道的最高采樣速率可達(dá)240 ksps以上。

　　采集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)傅立葉變換,計(jì)算出編碼器的細(xì)分誤差。當(dāng)數(shù)據(jù)量太大時(shí),會(huì)給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)很多麻煩;數(shù)據(jù)量太少時(shí),又不能反映信號(hào)的真實(shí)情況。實(shí)驗(yàn)證明：編碼器每個(gè)精碼周期的最佳采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)在60～100點(diǎn)之間。在本系統(tǒng)中采樣點(diǎn)設(shè)定為85點(diǎn),根據(jù)編碼器加速度的變化,采樣點(diǎn)會(huì)在附近波動(dòng)。DSP在接收到采樣命令后,對(duì)編碼器信號(hào)進(jìn)行采樣,首先,判斷編碼器的轉(zhuǎn)速,設(shè)定采樣頻率,保證一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)在85點(diǎn)左右,連續(xù)采樣3個(gè)以上完整的周期,采樣完成后將數(shù)據(jù)一并傳給計(jì)算機(jī)處理。

　　2數(shù)據(jù)處理

　　編碼器輸出的是角度信息,其輸出信號(hào)是以角度為自變量的空間函數(shù)。如果數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率是固定的,并且,編碼器是勻速轉(zhuǎn)動(dòng),理論上可以得到等轉(zhuǎn)角的角度信息。在編碼器實(shí)驗(yàn)或工作時(shí),數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率可以控制成固定采樣頻率,但編碼器不可能是嚴(yán)格意義上的勻速運(yùn)動(dòng),可以認(rèn)為是加速度很小的等加速運(yùn)動(dòng),所以,采集到的精碼光電信號(hào)是非等轉(zhuǎn)角的。在編碼器工作時(shí),采集2路相位差為π／2的正弦精碼光電信號(hào)usin和ucos,首先,計(jì)算編碼器的加速度,再利用線性插值法進(jìn)行等轉(zhuǎn)角處理,得到一組新的數(shù)據(jù)u′sin和u′cos,由u′sin和u′cos組成的精碼光電信號(hào)就是一組等轉(zhuǎn)角的光電信號(hào)。

　　編碼器2路相位差為π／2的正弦精碼光電信號(hào)ua和ub,精碼光電信號(hào)通常含有直流電平、基波及高次諧波。高次諧波以二次和三次諧波為主要分量,故可其波形方程為

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　　編碼器精碼光電信號(hào)具有周期函數(shù)的性質(zhì),任何一個(gè)周期函數(shù),都可以展開(kāi)為如下的傅立葉級(jí)數(shù)

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　　式(4)表明：一個(gè)周期函數(shù)可以由常數(shù)項(xiàng)a0與各次諧波之和組成。其中,An為f(x)的各次諧波的振幅;φn為相應(yīng)的各次諧波的初相角。這樣,對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行諧波分析,可以求出a0,An和φn。

　由于信號(hào)u′sin和u′cos是編碼器的等轉(zhuǎn)角信號(hào),可以對(duì)其進(jìn)行諧波分析。利用軟件VC++編寫(xiě)計(jì)算程序計(jì)算出式(1)和式(2)的波形參數(shù),即求出精碼光電信號(hào)的波形方程。編碼器光電信號(hào)的細(xì)分技術(shù)是建立在一定信號(hào)波形(通常為正弦波)的基礎(chǔ)上。當(dāng)波形參數(shù)偏離預(yù)定參數(shù)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生細(xì)分誤差。細(xì)分誤差用相位差表示就是實(shí)際細(xì)分點(diǎn)相位與理論細(xì)分點(diǎn)相位的差值,細(xì)分誤差可以表示為

?　　3實(shí)驗(yàn)測(cè)量

　　某21位增量式編碼器為8192對(duì)線／周光柵盤(pán),經(jīng)電子學(xué)256細(xì)分后,分辨力為0.6"。利用數(shù)據(jù)采集卡將差分放大后的2路精碼光電信號(hào)與數(shù)據(jù)采集裝置的2路輸入端相連,通過(guò)人機(jī)操作界面運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序。采集編碼器精碼光電信號(hào)放大后的電壓值,接人計(jì)算機(jī)得到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),并計(jì)算動(dòng)態(tài)細(xì)分誤差。利用二十一面體和自準(zhǔn)直儀,任意選擇一個(gè)細(xì)分周期,測(cè)量靜態(tài)細(xì)分誤差,動(dòng)態(tài)與靜態(tài)細(xì)分誤差曲線如圖2所示。

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　　4結(jié)論

　　本文提出了一種高精度編碼器動(dòng)態(tài)細(xì)分誤差的快速測(cè)量系統(tǒng),與傳統(tǒng)的靜態(tài)檢測(cè)編碼器細(xì)分誤差方法相比,該方法檢測(cè)編碼器動(dòng)態(tài)細(xì)分誤差的實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)便、檢測(cè)速度快。不僅可用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè),也可以用于編碼器工作現(xiàn)場(chǎng)對(duì)編碼器動(dòng)態(tài)細(xì)分誤差進(jìn)行評(píng)估。實(shí)驗(yàn)證明：該方法是可行的。