光電編碼器精度分析

李保霖，張?jiān)品?/p>

1.海軍駐長(zhǎng)春地區(qū)航空軍事代表室，吉林長(zhǎng)春 130033 2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033

光電編碼器精度分析

李保霖1，張?jiān)品?

1.海軍駐長(zhǎng)春地區(qū)航空軍事代表室，吉林長(zhǎng)春 130033 2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033

本文基于實(shí)際的工程項(xiàng)目，詳細(xì)論述了光電編碼器的組成原理，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)光電編碼器進(jìn)行誤差檢測(cè)及誤差分析的需求，給出了詳細(xì)的誤差檢測(cè)方法，該方法實(shí)用有效，可精確測(cè)量出光電編碼器的動(dòng)靜態(tài)誤差，有著很大的實(shí)際應(yīng)用前景。

A/D轉(zhuǎn)換；光電編碼器；碼盤

光電編碼器又稱為光電角位移傳感器，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸和被測(cè)物的轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連，通過光電接收發(fā)送裝置得到實(shí)時(shí)被測(cè)物的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，通過轉(zhuǎn)動(dòng)信息變換可以得到被測(cè)物的位移、速度及加速度，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確角度位移等參數(shù)測(cè)量。

光電編碼器以其測(cè)量精度高、體積小及抗惡劣環(huán)境強(qiáng)等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在精密機(jī)械加工、工業(yè)機(jī)器人及高精度閉環(huán)控制等領(lǐng)域，并且隨著光學(xué)刻劃工藝的提高及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的推進(jìn)，光電編碼器的精度及實(shí)時(shí)性得到了很大的提升，應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大的擴(kuò)展。

1 系統(tǒng)組成原理

光電編碼器的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 光電編碼器整體結(jié)構(gòu)圖

光電編碼器主要部分包括：碼盤、接收發(fā)光裝置、光電信號(hào)整理電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DSP數(shù)據(jù)處理電路、接口電路、控制軟件、電源等。

1）碼盤一般是玻璃的，利用光學(xué)刻劃技術(shù)在其上面刻劃出測(cè)量條紋。

2）光電信號(hào)整理電路：精碼差分放大電路和中精碼放大電路,完成編碼器原始信號(hào)的放大，同時(shí)對(duì)信號(hào)中的直流成份和噪音進(jìn)行共模處理，進(jìn)一步提高信號(hào)質(zhì)量，電路采用標(biāo)準(zhǔn)的比例放大電路。

3）A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：整理后的精碼和中精碼信號(hào)均為±5V的交流信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

4）DSP數(shù)據(jù)處理電路：DSP數(shù)據(jù)處理電路是編碼器分系統(tǒng)核心元件，完成編碼器分系統(tǒng)指令接收，進(jìn)行角度信息處理，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊的控制功能，電路設(shè)計(jì)選用了TMS320F2812中央處理器（DSP）作為核心處理電路。

5）同步采樣信號(hào)接收及整理電路：對(duì)系統(tǒng)發(fā)送來的采樣信號(hào)進(jìn)行整形處理，處理后的同步采樣信號(hào)位為負(fù)脈沖信號(hào)。

6）電子調(diào)零電路：在方位角0～360°、高低角-5°～185°范圍內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)指令，自動(dòng)設(shè)置儀器的絕對(duì)零點(diǎn)，數(shù)據(jù)永久保存在E2ROM，直到重新設(shè)置。

7）供電電源包含±5V、15V三個(gè)電源等級(jí)。

圖2 時(shí)序圖

圖3 動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果

2 主要指標(biāo)檢測(cè)

2.1 精度檢測(cè)

光電編碼器的精度一般為：σ≤1.5″。

檢測(cè)原理為采用23面多面體及0.2s平行光管。多面體與編碼器同心固定在一起，多面體與編碼器一同轉(zhuǎn)動(dòng)，光管不動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器到多面體各個(gè)面的理論值時(shí)，用光管自準(zhǔn)多面體每一面，讀光管顯示數(shù)作為誤差值，通過計(jì)算得到精度值。數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸出時(shí)間：t ≤0.2ms。

檢測(cè)方法為用示波器，兩個(gè)測(cè)試筆分別測(cè)試外采信號(hào)與編碼器數(shù)據(jù)輸出，看示波器顯示兩個(gè)信息之間的時(shí)間。如圖2所示滿足技術(shù)要求。

2.2 動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)

檢測(cè)方法為當(dāng)經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過伺服計(jì)算機(jī)采集編碼器實(shí)時(shí)測(cè)角數(shù)據(jù)，在通過軟件公式轉(zhuǎn)成速度值并畫出速度曲線。如圖3所示，最大峰值減最小峰值為6個(gè)編碼器分辨率，可得出動(dòng)態(tài)精度。

3 軟件設(shè)計(jì)

見圖4。

圖4 編碼器數(shù)據(jù)處理程序流程圖

4 結(jié)論

本文以實(shí)際工程項(xiàng)目為基礎(chǔ)，給出了光電編碼器精度檢測(cè)方法及軟件框圖，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

[1]郭慶鼎，孫宜標(biāo)，王麗梅.現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006．

[2]智澤英，楊晉嶺，劉輝.DSP控制技術(shù)實(shí)踐［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009．

[3]蘇奎峰，等.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

TN2

A

1674-6708（2015）148-0046-02

李保霖，工程師，工作單位：海軍駐長(zhǎng)春地區(qū)航空軍事代表室，研究方向：光電裝備跟蹤測(cè)量