基于莫爾條紋誤差信號(hào)的多編碼器故障診斷遙測(cè)系統(tǒng)

高旭，邱偉，何峰，謝春雨

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109；3.中國(guó)石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，成都 610041）

光電軸角編碼器是以光柵莫爾條紋為信息轉(zhuǎn)換載體，集光、機(jī)、電為一體的角位移精密測(cè)量傳感器。航空航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)絕對(duì)式光電軸角編碼器的環(huán)境適應(yīng)性要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外科研人員不斷嘗試將其應(yīng)用在惡劣條件下，測(cè)試環(huán)境適應(yīng)能力，來(lái)致力于研究高可靠性的智能編碼器。而目前當(dāng)編碼器測(cè)量精度出現(xiàn)問題時(shí)，大多數(shù)工程人員采用示波器、燈排顯示等方式觀測(cè)信號(hào)形態(tài)對(duì)光電信號(hào)處理電路中的器件進(jìn)行調(diào)節(jié)，耗費(fèi)大量人力、物力，且操作復(fù)雜。尤其在石油地下探測(cè)系統(tǒng)、經(jīng)緯儀通信等系統(tǒng)中，由于光源擴(kuò)散角非常小，通信距離遠(yuǎn)，僅靠姿態(tài)參數(shù)難以直接建立連接，因此需要高精度、無(wú)線傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)，通過(guò)捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤信息來(lái)實(shí)現(xiàn)通信鏈路的建立與保持。而光電編碼器作為伺服系統(tǒng)的反饋測(cè)量元件，其精度決定了整個(gè)終端的指向精度，同時(shí)其工作狀態(tài)、故障診斷的手段也成為了通信系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及工作站在故障情況下可快速自動(dòng)恢復(fù)的關(guān)鍵硬件基礎(chǔ)。

尤其當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)/伺服系統(tǒng)應(yīng)用多個(gè)光電編碼器的情況下，需要建立描述各個(gè)傳感器輸出信號(hào)之間交叉關(guān)系和冗余關(guān)系的事實(shí)，應(yīng)用一定的故障檢測(cè)邏輯系統(tǒng)，抽取測(cè)量同一系統(tǒng)中不同編碼器單元信號(hào)物理量參數(shù)模型及關(guān)系，用以實(shí)現(xiàn)編碼器故障檢測(cè)和信號(hào)恢復(fù)。鑒于當(dāng)前多編碼器智能診斷無(wú)法實(shí)現(xiàn)的局限性，設(shè)計(jì)多編碼器故障診斷遙測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)誤差信號(hào)、誤碼信息遙測(cè)編碼器單元并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償控制，對(duì)保證編碼器在惡劣條件下的測(cè)量精度、節(jié)省人力、物力以及方便工程技術(shù)人員對(duì)傳感器故障的快速調(diào)節(jié)與診斷具有重要意義和實(shí)用價(jià)值［1-3］。

針對(duì)高精度編碼器光電信號(hào)質(zhì)量偏差的補(bǔ)償，提出莫爾條紋光電信號(hào)穩(wěn)定性偏差、等幅性偏差、正交性偏差、正弦性偏差等自動(dòng)補(bǔ)償算法，并建立了基于DSP28335的編碼器光電信號(hào)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，如文獻(xiàn)［4］-［8］所示，在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)補(bǔ)償系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出模式，建立該補(bǔ)償系統(tǒng)控制器與數(shù)據(jù)中繼站、總控計(jì)算機(jī)三級(jí)通信結(jié)構(gòu)組成形成遠(yuǎn)程控制。將基于莫爾條紋光電信號(hào)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)采集到的莫爾條紋信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線傳輸?shù)絇C機(jī)，并采用VC++編寫了莫爾條紋誤差信號(hào)故障分析系統(tǒng)，完成信號(hào)參數(shù)、質(zhì)量指標(biāo)、測(cè)角精度、誤碼信息在界面上的顯示。編碼器系統(tǒng)與工作站間采用Zigbee通信協(xié)議，該協(xié)議采用IEEE802.15.1規(guī)范，實(shí)現(xiàn)無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)的物理層和接入?yún)f(xié)議是全世界公開通用使用的無(wú)線頻段，用于一定距離范圍內(nèi)的無(wú)線傳輸，供開源使用。要求發(fā)射功率小于1W，一般傳輸距離在100m左右。數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)250kbps。IEEE開放了2.4GHz至2.4835GHz頻帶，工作在此頻帶的設(shè)備有藍(lán)牙、Zigbee、Wi-Fi等。藍(lán)牙功率小、傳輸距離小，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成電磁干擾。Zigbee的底層標(biāo)準(zhǔn)把2.4GHz的ISM頻段劃分為16個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為2MHz。當(dāng)Zigbee和Wi-Fi同時(shí)使用相同頻段通信時(shí)，產(chǎn)生噪聲干擾，導(dǎo)致傳輸分組沖突。采用功率控制技術(shù)是克服相互干擾的有效手段，可以從降低無(wú)線系統(tǒng)發(fā)射功率來(lái)削弱相互干擾考慮，盡量避免在最大有效的作用距離（100m）內(nèi)同時(shí)有Zigbee源和Wi-Fi源工作。Zigbee源在多傳感器系統(tǒng)的自由組網(wǎng)、電磁兼容性、傳輸距離等方面有著廣泛應(yīng)用。

因此，通過(guò)人機(jī)交互軟件界面，根據(jù)編碼器理論設(shè)計(jì)指標(biāo)，可直觀地根據(jù)信號(hào)誤差來(lái)分析并診斷編碼器的工作狀態(tài)，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)測(cè)量故障類型進(jìn)行遙測(cè)診斷［9-14］，直接控制莫爾條紋光電信號(hào)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，進(jìn)而保證光電軸角編碼器在復(fù)雜工作條件下的測(cè)量精度。

1 故障特性分析理論及方法

高精度光電編碼器主要由光機(jī)結(jié)構(gòu)與電信號(hào)處理兩部分組成。它常采用散裝或整裝結(jié)構(gòu)，將碼盤直接固定在總體的主軸上，讀數(shù)狹縫組件等其它部分通過(guò)基板固定在總體的基座上，如圖1所示。在測(cè)量時(shí)，只有碼盤隨機(jī)械主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榇a盤上刻有貯存軸角絕對(duì)位置的代碼信息，所以照明系統(tǒng)射出的光線透過(guò)碼盤、狹縫盤入射到接收系統(tǒng)后，將攜帶絕對(duì)位置信息的莫爾條紋光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)，最后由DSP處理系統(tǒng)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行綜合處理后輸出角度代碼［7-8］。

圖1 某24位高精度編碼器結(jié)構(gòu)示意圖

編碼器莫爾條紋光電信號(hào)是位移信息轉(zhuǎn)換的載體，其質(zhì)量也是決定測(cè)量精度的主要因素，它實(shí)質(zhì)是一種空間信號(hào)，根據(jù)柵距刻線密度不同，原始莫爾條紋信號(hào)波形可以是梯形波、近似三角波、近似正弦波。若柵距相等、縫寬和線寬均相等的兩光柵疊加在一起，且不考慮光柵的衍射作用，則根據(jù)莫爾條紋產(chǎn)生機(jī)理，光通過(guò)光柵副后的能量分布為一個(gè)三角波。本文以長(zhǎng)春光機(jī)所研制的21位以上的高精度絕對(duì)式編碼器為研究對(duì)象，其碼盤刻有四條精碼道，四條碼道相位互差90°，每條精碼道由16384對(duì)線/周的光柵碼道構(gòu)成，每對(duì)線對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角79.1"，則莫爾條紋光電信號(hào)的節(jié)距為79.1"。當(dāng)非平行光通過(guò)刻線密度小于20lp/mm的光柵時(shí)，才有可能獲得三角波。因此對(duì)于較高精度編碼器而言，輸出的莫爾條紋信號(hào)波形為近似正弦波［9］。

與此同時(shí)，莫爾條紋光電信號(hào)各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)直接反映編碼器工作狀態(tài)信息［10-12］。即：光電信號(hào)的節(jié)距、波形、幅值、相位、對(duì)比度等不僅反映測(cè)角精度信息、可靠性信息，且其動(dòng)態(tài)變化及特征也反映編碼器工作情況，通過(guò)信號(hào)參數(shù)還可診斷編碼器故障及其動(dòng)態(tài)附加誤差。

綜上，在莫爾條紋光電信號(hào)自動(dòng)補(bǔ)償處理的基礎(chǔ)上，針對(duì)多工作編碼器，改進(jìn)補(bǔ)償系統(tǒng)，附有無(wú)線通訊功能的傳輸設(shè)計(jì)，遙測(cè)控制補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)而提高角度測(cè)量的可靠性和完善性。

2 故障數(shù)據(jù)遙測(cè)分析系統(tǒng)

系統(tǒng)采用三級(jí)通信方式，利用協(xié)調(diào)器選通通道選擇控制系統(tǒng)中的編碼器單元，針對(duì)各個(gè)單元，遙測(cè)系統(tǒng)采用多頭讀數(shù)提取各個(gè)位置的精碼莫爾條紋信號(hào)，當(dāng)編碼器精碼光電信號(hào)出現(xiàn)偏差或者測(cè)量產(chǎn)生誤碼時(shí)，故障分析系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)窗口，可作為編碼器信號(hào)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)開始啟動(dòng)控制，尤其當(dāng)編碼器應(yīng)用在航天系統(tǒng)或地面系統(tǒng)中時(shí)，系統(tǒng)會(huì)有兩種工作模式：正常監(jiān)測(cè)模式和誤差診斷模式，當(dāng)測(cè)量出現(xiàn)偏差時(shí)，計(jì)算誤差信號(hào)偏差的信息量，控制莫爾條紋光電信號(hào)補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)入補(bǔ)償模式時(shí)，對(duì)編碼器光電信號(hào)實(shí)行遙測(cè)控制，其控制速度及測(cè)量精度不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間影響整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的精度。

2.1 改進(jìn)的光電信號(hào)補(bǔ)償處理系統(tǒng)

光電信號(hào)傳輸處理的硬件原理框圖如圖2所示。原補(bǔ)償系統(tǒng)的核心處理芯片選用TI公司推出的浮點(diǎn)型TMS320F28335處理器，專門針對(duì)精碼莫爾條紋光電信號(hào)設(shè)計(jì)；TMS320F28335的捕獲單元，是數(shù)據(jù)采集部分的關(guān)鍵單元，每個(gè)捕獲單元都有對(duì)應(yīng)的定時(shí)器作為時(shí)鐘基準(zhǔn)且有對(duì)應(yīng)的捕獲引腳，當(dāng)捕獲引腳檢測(cè)到處理器指定跳變時(shí)，定時(shí)器值將一同捕獲并自動(dòng)輸入到對(duì)應(yīng)兩級(jí)FIFO堆棧中，由此計(jì)算捕獲引腳所接外部信號(hào)矩形脈沖的變化頻率。

采用AD5254數(shù)字電位計(jì)作為精碼信號(hào)光電流/電壓轉(zhuǎn)換元件，通過(guò)給滑動(dòng)端控制寄存器分配賦值調(diào)控端子位置，來(lái)調(diào)節(jié)電位計(jì)阻值的大小。選擇14位的并行A/D轉(zhuǎn)換器AD7865-1系列對(duì)精碼莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行采集，因4個(gè)通道間具有同步采樣功能，所以模擬輸入信號(hào)間的相位信息可以存留，其輸入管腳均有過(guò)壓保護(hù)功能，增強(qiáng)了器件工作的穩(wěn)定性和抗干擾性。同時(shí)，芯片轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)可與3V處理器直接進(jìn)行連接，并與控制器數(shù)據(jù)存取時(shí)序相同，提高了兩芯片間的通信速率。

圖2 莫爾條紋光電信號(hào)硬件采集處理框圖

對(duì)連接A/D轉(zhuǎn)換器控制引腳的芯片采用Xilinx公司生產(chǎn)的XC95144-10PQ160I型號(hào)的工業(yè)級(jí)可編程邏輯器件CPLD，I/O引腳可承受3.3V或5V，主要完成粗碼信息、精粗碼信息間的譯碼與校正；對(duì)信號(hào)的調(diào)理采用OP27GP放大器和LM139比較器，放大器將編碼器光機(jī)頭部輸出的四路精碼信號(hào)差分放大后生成正、余弦信號(hào)送入AD7865；比較器將一路正弦信號(hào)整形為方波信號(hào)，直接送入DSP28335的捕獲引腳，則由于粗碼方波頻率與原始精碼正弦信號(hào)的頻率相同，因此DSP可以自適應(yīng)的獲取精碼光電信號(hào)。

在此基礎(chǔ)上，遙測(cè)系統(tǒng)的通訊接口控制器的主控芯片采用STM32F103RBUT6芯片，該芯片由意法半導(dǎo)體生產(chǎn)，基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核；無(wú)線通信的器件采用成都無(wú)線龍二次開發(fā)的CC2530模塊，統(tǒng)一采用20幀擴(kuò)展接口。其中CC2530由TI公司生產(chǎn)，該芯片工作在2.4GHz頻ISM頻段上，遵守IEEE802.15.1、ZigBee通信協(xié)議，無(wú)線傳輸距離在50m以外，具有ARM7內(nèi)核，信道帶寬為2MHz，具備串行數(shù)據(jù)無(wú)線通信功能，可滿足在溫度控制器與控制芯片的有線通信，在協(xié)調(diào)器組與中繼計(jì)算機(jī)有限通信的功能。CC2530模塊的軟件開發(fā)平臺(tái)采用IAR Embedded Workbench，具備C/C++交叉編譯器和調(diào)試器，是目前最完整和最容易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。

2.2 無(wú)線通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常情況下，機(jī)器人系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)會(huì)在各關(guān)節(jié)或者俯仰方向、方位方向上各使用多個(gè)編碼器，其各個(gè)編碼器單元的補(bǔ)償系統(tǒng)均采用了CC2530模塊作為通信終端，為提高單元補(bǔ)償系統(tǒng)控制器與總控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，編碼器單元模塊與中繼站采用雙通道數(shù)傳結(jié)構(gòu)，其Zigbee組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 Zigbee組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

Zigbee組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有1臺(tái)協(xié)調(diào)器，1臺(tái)路由器（可管理15個(gè)編碼器單元終端），協(xié)調(diào)器與路由器安裝在中繼站上，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組網(wǎng)，總控?cái)?shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)器發(fā)向各個(gè)終端，各終端執(zhí)行狀態(tài)由終端經(jīng)路由器發(fā)回總控計(jì)算機(jī)，這樣，將下行數(shù)據(jù)與上行數(shù)據(jù)分開形成兩個(gè)獨(dú)立信道，可解決Zigbee組網(wǎng)中中低速網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題，提高系統(tǒng)的通信性能。所有協(xié)調(diào)器與路由器芯片集成在中繼站的外圍設(shè)備上。

在該CC2530的通信過(guò)程中采用串口轉(zhuǎn)換芯片MAX485，MAX485是用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，具有限擺率驅(qū)動(dòng)器，可以減少EMI，并降低由不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配電纜引起的反射，實(shí)現(xiàn)最高250kbps的無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸。

中繼站配置16通道RS485串行卡，每一路與對(duì)應(yīng)的路由器與協(xié)調(diào)器形成串行通信總線信道。每一路對(duì)應(yīng)的終端、路由器、協(xié)調(diào)器采用不同信道頻率與組網(wǎng)IP值，避免信號(hào)相互干擾。

2.3 無(wú)線傳輸通訊接口

伺服控制系統(tǒng)中常利用多個(gè)編碼器進(jìn)行不同視角及空間位置信息的傳輸，因此數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由總控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中繼站、各個(gè)編碼器等三級(jí)通信結(jié)構(gòu)組成遠(yuǎn)程遙測(cè)。查找控制指令由總控計(jì)算機(jī)發(fā)出，經(jīng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳送至中繼站，考慮到伺服系統(tǒng)里獨(dú)立通訊的器件數(shù)較多，為減少傳輸假設(shè)的復(fù)雜性以及減少通信間的相互串?dāng)_，故障分析系統(tǒng)采用無(wú)線Zigbee協(xié)議進(jìn)行通信。同時(shí)由于Zigbee通信方式能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的靈活組合，組網(wǎng)時(shí)沒有空間架設(shè)上次序要求，同時(shí)無(wú)線的工作模式可大量減少系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。其無(wú)線傳輸距離在100m內(nèi)有效。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖

中繼站部分由中繼計(jì)算機(jī)與Zigbee協(xié)調(diào)器組組成，之間采用RS485串行總線方式進(jìn)行通信。獨(dú)立編碼器的數(shù)據(jù)處理電路內(nèi)部設(shè)計(jì)了Zigbee終端的收發(fā)器件，中繼站可利用Zigbee協(xié)調(diào)器將伺服系統(tǒng)總控計(jì)算機(jī)的各控制數(shù)據(jù)發(fā)送至獨(dú)立編碼器的控制器；獨(dú)立編碼器的控制器測(cè)量數(shù)據(jù)及莫爾條紋光電信號(hào)測(cè)量數(shù)據(jù)也可反向經(jīng)此數(shù)據(jù)傳輸通道傳至總控計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)總控計(jì)算機(jī)到獨(dú)立編碼器的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

中繼站與總控計(jì)算機(jī)采用TCP/IP有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，主控計(jì)算機(jī)計(jì)算不同編碼器單元的執(zhí)行情況，對(duì)不同溫度下編碼器單元光電信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差計(jì)算，通過(guò)中繼站將修正控制量發(fā)送至各個(gè)編碼器單元，根據(jù)計(jì)算值實(shí)時(shí)控制光電信號(hào)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)編碼器單元的高精度修復(fù)控制。

3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

當(dāng)編碼器工作的旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定時(shí)，由采集系統(tǒng)將自適應(yīng)采集的精碼光電信號(hào)數(shù)據(jù)傳到PC機(jī)，在莫爾條紋信號(hào)質(zhì)量偏差計(jì)算辨識(shí)研究的前期工作基礎(chǔ)上，為了快速地對(duì)工作條件下的光電信號(hào)進(jìn)行分析，以方便對(duì)編碼器系統(tǒng)進(jìn)行遙控，本文采用VC++編寫了莫爾條紋信號(hào)自動(dòng)分析系統(tǒng)［8］，完成算法的編寫并將信號(hào)參數(shù)、質(zhì)量指標(biāo)、溫度測(cè)量信息在界面上進(jìn)行一并顯示，如圖5所示。

圖5 莫爾條紋自動(dòng)分析軟件系統(tǒng)

以采集的某24位光電編碼器為例，圖中右側(cè)豎排窗口顯示的是周期莫爾條紋信號(hào)時(shí)域內(nèi)自適應(yīng)采集數(shù)據(jù)，即可成功獲得等間隔空域信號(hào)；通過(guò)辨識(shí)算法的處理，可直觀顯示信號(hào)的直流漂移、基波幅值與相位、二階幅值與相位等信息，同時(shí)可自動(dòng)計(jì)算穩(wěn)定性偏差、等幅性偏差、正交性偏差、正弦性偏差等偏差量，目前該界面設(shè)計(jì)了五階以下的波形信息，可直接與所設(shè)計(jì)的編碼器性能指標(biāo)做對(duì)比；同時(shí)采集的信號(hào)波形以及合成的李沙育圖在界面上可直觀顯示，如圖5中的精碼正弦波、精碼余弦波［14-15］。

中繼站通過(guò)協(xié)調(diào)器邏輯選擇伺服系統(tǒng)中的各個(gè)編碼器單元，進(jìn)而采集莫爾條紋光電信號(hào)，總控計(jì)算機(jī)通過(guò)人機(jī)交互軟件界面，可直觀地根據(jù)編碼器信號(hào)質(zhì)量來(lái)分析并診斷各個(gè)編碼器單元不同溫度下的工作狀態(tài)。尤其在惡劣工作環(huán)境下，可監(jiān)控采集不同溫度下的信號(hào)數(shù)據(jù)，且在應(yīng)用系統(tǒng)容忍響應(yīng)時(shí)間較小的場(chǎng)合，可利用該自動(dòng)分析系統(tǒng)直接觀測(cè)信號(hào)質(zhì)量，通過(guò)遙測(cè)并將計(jì)算好的參數(shù)直接經(jīng)無(wú)線傳輸送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)獨(dú)立編碼器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，尤其適用于編碼器在外場(chǎng)工作環(huán)境下的調(diào)試和遠(yuǎn)距離的傳感器數(shù)據(jù)傳控。

4 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述描述，采集某系統(tǒng)中各編碼器單元頭部上、下、左、右四路信號(hào)在不同溫度條件下的數(shù)據(jù)的示意圖如圖6所示。

圖6 各個(gè)編碼器單元工作的溫度數(shù)據(jù)傳輸界面

系統(tǒng)以某實(shí)驗(yàn)過(guò)的23位光電編碼器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)機(jī)械裝調(diào)改變莫爾條紋光電信號(hào)的正交性。在20°C溫度下，利用本文的故障分析系統(tǒng)采集0°、90°、180°、270°等四路精碼波形，并對(duì)差分后的兩路正余弦信號(hào)進(jìn)行諧波分析，同時(shí)采用粒子群算法對(duì)5階以內(nèi)諧波進(jìn)行參數(shù)分析，采集的某周期光電信號(hào)信息及圖形如圖7所示。

圖7 23位編碼器光電信號(hào)分析圖

可見，該周期內(nèi)，光電信號(hào)的參數(shù)信息通過(guò)該軟件界面可直接讀取。且正交性偏差較大，約為0.18弧度；同時(shí)存在較小的等幅性偏差及直流漂移誤差，其偏差量也可直接計(jì)算，進(jìn)而通過(guò)無(wú)線通訊傳輸將偏移信息傳遞給補(bǔ)償系統(tǒng)。由此可以分析，在不同溫度條件下，采集不同的光電信號(hào)值也可以通過(guò)該軟件計(jì)算出細(xì)分誤差峰峰值，并在右側(cè)文本框中直接顯示，以此細(xì)分誤差來(lái)評(píng)估編碼器工作狀態(tài)下的測(cè)量精度。

5 結(jié)論

為提高光電編碼器的空間適應(yīng)性、可靠性和可維護(hù)性，在莫爾條紋光電信號(hào)自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合典型石油地下探測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)等應(yīng)用多傳感器組網(wǎng)的背景，建立了基于無(wú)線通訊的多傳感器信號(hào)、測(cè)量信息采集及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了智能診斷的軟件系統(tǒng)。具體基于莫爾條紋誤差信號(hào)建立了多光電軸角編碼器的故障診斷遙測(cè)系統(tǒng)。在前期莫爾條紋光電信號(hào)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)上，結(jié)合中繼計(jì)算機(jī)與總控計(jì)算機(jī)站的無(wú)線通訊傳輸設(shè)計(jì)，改進(jìn)了補(bǔ)償系統(tǒng)的通訊接口設(shè)計(jì)，并完成了溫度數(shù)據(jù)、信號(hào)波形、采集數(shù)據(jù)、參數(shù)、偏差量信息等軟件窗體的顯示。同時(shí)根據(jù)計(jì)算的偏差補(bǔ)償量，總控計(jì)算機(jī)可遠(yuǎn)程控制自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的修復(fù)功能。

該系統(tǒng)尤其適用于多高精度光電編碼器的外場(chǎng)工作環(huán)境，不僅為工程技術(shù)人員快速地對(duì)編碼器系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行診斷提供了有效的信息，節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力，同時(shí)為衛(wèi)星通訊系統(tǒng)目標(biāo)遙測(cè)、石油地下探測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)奠定了硬、軟件基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

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