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光電軸角編碼器,又稱(chēng)光電角位置傳感器,是一種集光、機、電為一體的精密數字測角裝置,它把軸角信息轉換成數字代碼,與計算機和顯示裝置連接后可實(shí)現動(dòng)態(tài)測量和實(shí)時(shí)控制。隨著(zhù)編碼器在工業(yè)、國防、航天等部門(mén)的廣泛應用,對編碼器的技術(shù)指標提出了越來(lái)越高的要求。測角誤差是編碼器的重要技術(shù)指標, 細分誤差是測角誤差的主要分量,細分誤差的檢定要求用精密的小角度測量?jì)x器|儀表在嚴格的實(shí)驗室條件下進(jìn)行,且檢測過(guò)程復雜、時(shí)間長(cháng)。為了存編碼器使用現場(chǎng)快速及時(shí)地檢測出編碼器的細分誤差,研制了一種編碼器的細分誤差快速測量系統,將編碼器精碼的光電信號采集到計算機,進(jìn)行諧波分析,計算出編碼器的細分誤差。 1 數據采集系統 1.1 系統硬件 該系統的核心器件是TMS320F2812和MAX125。TMS320F2812是TI公司的一款高速DSP處理芯片。本系統采用1片DSP芯片控制2片A／D轉換芯片。圖1所示為DSP控制2片轉換芯片的系統框圖。 1.2 TMS320F2812 C281x系列DSP是TI公司最新推出的32位定點(diǎn)數字信號處理器,是基于TMS320C2000數字信號處理器平臺開(kāi)發(fā)的,其代碼與24x／240x數字信號處理器完全兼容。 C281x處理器采用C／C++編寫(xiě)軟件,其效率高,用戶(hù)不僅可以應用高級語(yǔ)言編寫(xiě)系統程序,也可采用C／C++高效率的數學(xué)算法。C281x 系列數字信號處理器在完成數學(xué)算法和系統控制等任務(wù)時(shí)都具有較高的性能,這樣,就避免了用戶(hù)在1個(gè)系統中需要多只處理器的麻煩。C281x處理器內核包含了1個(gè)32位×32位的乘法累計單元,能夠完成64位的數據處理能力。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轉換芯片。該芯片包含1只14位,轉換時(shí)間為3μs的逐次逼近式A／D轉換器,1 個(gè)+2.5 V的內部電壓基準。每一個(gè)采樣保持器都對應2路輸入信號,一共可以接收8路信號輸入。輸入電壓為±5 V。芯片具有±17 V輸入電壓保護。 MAX125采用的是并行數據接口,和DSP的數據存取時(shí)序相同,與DSP通信時(shí)不需要等待周期,可以達到很高的通信速率。單路轉換的最高速率為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)的細分誤差,數據采集速率要在100 ksps以上。本系統采用2片A／D轉換芯片,分時(shí)采集編碼器的4路信號,當讀其中一片芯片的數據時(shí),啟動(dòng)另一芯片開(kāi)始轉換。采用本方法4通道的最高采樣速率可達120 ksps以上,2通道的最高采樣速率可達240 ksps以上。 采集到的數據需要經(jīng)過(guò)傅立葉變換,計算出編碼器的細分誤差。當數據量太大時(shí),會(huì )給后續的數據處理帶來(lái)很多麻煩;數據量太少時(shí),又不能反映信號的真實(shí)情況。實(shí)驗證明：編碼器每個(gè)精碼周期的最佳采樣點(diǎn)數應在60～100點(diǎn)之間。在本系統中采樣點(diǎn)設定為85點(diǎn),根據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,對編碼器信號進(jìn)行采樣,首先,判斷編碼器的轉速,設定采樣頻率,保證一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數在85點(diǎn)左右,連續采樣3個(gè)以上完整的周期,采樣完成后將數據一并傳給計算機處理。 2 數據處理 編碼器輸出的是角度信息,其輸出信號是以角度為自變量的空間函數。如果數據采集卡的采樣頻率是固定的,并且,編碼器是勻速轉動(dòng),理論上可以得到等轉角的角度信息。在編碼器實(shí)驗或工作時(shí),數據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格意義上的勻速運動(dòng),可以認為是加速度很小的等加速運動(dòng),所以,采集到的精碼光電信號是非等轉角的。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usin和ucos,首先,計算編碼器的加速度,再利用線(xiàn)性插值法進(jìn)行等轉角處理,得到一組新的數據u′sin和u′cos,由u′sin和u′cos組成的精碼光電信號就是一組等轉角的光電信號。 編碼器2路相位差為π／2的正弦精碼光電信號ua和ub,精碼光電信號通常含有直流電平、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 編碼器精碼光電信號具有周期函數的性質(zhì),任何一個(gè)周期函數,都可以展開(kāi)為如下的傅立葉級數 式(4)表明：一個(gè)周期函數可以由常數項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為相應的各次諧波的初相角。這樣,對實(shí)測數據信號進(jìn)行諧波分析,可以求出a0,An和φn。 由于信號u′sin和u′cos是編碼器的等轉角信號,可以對其進(jìn)行諧波分析。利用軟件VC++編寫(xiě)計算程序計算出式(1)和式(2)的波形參數,即求出精碼光電信號的波形方程。編碼器光電信號的細分技術(shù)是建立在一定信號波形(通常為正弦波)的基礎上。當波形參數偏離預定參數時(shí),就會(huì )產(chǎn) 3 實(shí)驗測量 某21位增量式編碼器為8192對線(xiàn)／周光柵盤(pán),經(jīng)電子學(xué)256細分后,分辨力為0.6"。利用數據采集卡將差分放大后的2路精碼光電信號與數據采集裝置的2路輸入端相連,通過(guò)人機操作界面運行數據采集程序。采集編碼器精碼光電信號放大后的電壓值,接人計算機得到動(dòng)態(tài)數據,并計算動(dòng)態(tài)細分誤差。利用二十一面體和自準直儀,任意選擇一個(gè)細分周期,測量靜態(tài)細分誤差,動(dòng)態(tài)與靜態(tài)細分誤差曲線(xiàn)如圖2所示。 4 結論 本文提出了一種高精度編碼器動(dòng)態(tài)細分誤差的快速測量系統,與傳統的靜態(tài)檢測編碼器細分誤差方法相比,該方法檢測編碼器動(dòng)態(tài)細分誤差的實(shí)驗過(guò)程簡(jiǎn)便、檢測速度快。不僅可用于實(shí)驗室檢測,也可以用于編碼器工作現場(chǎng)對編碼器動(dòng)態(tài)細分誤差進(jìn)行*估。實(shí)驗證明：該方法是可行的。 |
