光電編碼器精度分析

徐桂成

摘要：光電軸角編碼器也叫做光電角位置傳感器，它集光、機、電為一體，它是以高精度圓光柵為檢測元件，通過碼盤把機械圓周角度轉(zhuǎn)換為電信號，通過差分放大、整形濾波、校正、細分、譯碼等處理后和計算機相連可實現(xiàn)輸出精密角度值以及做伺服控制，它具有分辨率高、測量范圍廣、使用可靠、易于維護等優(yōu)點被廣泛應用于雷達、光電經(jīng)緯儀、數(shù)控機床、指揮儀和高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)等諸多領域。隨著科技的發(fā)展，軍工、國防等領域?qū)ξ⑿蛡鞲衅鞯男枨笤絹碓郊逼?，要求編碼器向高精度、高分辨率、小型化和智能化發(fā)展。同時隨著科技的發(fā)展，尤其是空間科學自動化和國防建設等領域?qū)幋a器的分辨率和精度提出了更高的要求。因此，研制高精度、高分辨率的編碼器是科學技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一步。

關(guān)鍵詞：光電編碼器；經(jīng)度；偏心

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）08-0049-03

1碼盤裝調(diào)偏心量對精度的影響

光電軸角編碼器主軸的幌動和光柵碼盤軸心與主軸系間的偏心都將引起測量誤差，因此，采取措施盡量使碼盤軸心與主軸軸心一致，是完成高精度編碼器調(diào)試的必要條件。調(diào)整軸向跳動和偏心量是碼盤裝調(diào)主要步驟，啟動摩擦力矩和高速旋轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)動慣量等也是碼盤裝調(diào)的主要程序。接下來只對碼盤偏心量加以研究，并提出一種用光電信號調(diào)整碼盤偏心量的方法，用光電信號調(diào)整碼盤偏心的成功應用為高精度編碼器碼盤的調(diào)試成型奠定了基礎。

碼盤偏心量是指碼盤軸心與支承主軸旋轉(zhuǎn)中心的差值。該差值量直接影響精粗碼道之間的相位關(guān)系，同時該偏心量對讀數(shù)也有顯著影響，如圖1所示：

（3）式與（2）式結(jié)果相同，因此采用對經(jīng)讀數(shù)方式，不管碼盤偏心量如何，不影響讀數(shù)。因此，偏心不限制對徑讀數(shù)。但是光柵碼盤軸心與主軸系間的偏心對粗碼計圈數(shù)間的關(guān)系影響無法消除，不能補償圈間關(guān)系，因為狹縫本身的圈間關(guān)系是一個定值，不隨碼盤的圈間相位變化容易導致錯碼。在高精度的編碼器中在對徑方向放置兩個接收裝置，但電路會增加，由此盡量通過精確裝調(diào)減小安裝偏心來消除誤差。

采用光電信號調(diào)偏心既解決了傳統(tǒng)采用顯微鏡調(diào)偏心方法的局限性，又提高了偏心調(diào)整的準確性，同時減少了工作量，解決了實際工作中許多特定條件下無法安裝顯微鏡進行裝調(diào)的局限。

傳統(tǒng)的顯微鏡調(diào)偏心方法首先用單個顯微鏡進行粗調(diào)，之后在對徑180度放兩個顯微鏡進行精調(diào)。把顯微鏡A作為調(diào)整基準，A瞄準光柵碼盤上的任一條線b，如圖2所示；同時用顯微鏡B用來測量大小，B瞄準對徑另一條線a。這時記下顯微鏡B的讀數(shù)h1，之后旋轉(zhuǎn)碼盤180°，讓顯微鏡A瞄準線條a，再讀取顯微鏡B的數(shù)值h2，那么偏心量為|h1-h2|。根據(jù)顯微鏡B的讀數(shù)與方向，通過顯微鏡B觀察，往顯微鏡A，B的垂直方向調(diào)整碼盤，大小為|h1-h2|，通過多次調(diào)整，使O和O重合，調(diào)整后，將碼盤轉(zhuǎn)過90°，再重復同上調(diào)整。經(jīng)過這兩個互相垂直方向偏心的調(diào)整后，偏心還存在，其實最大偏心不一定在這兩個方向上，然而為了更準確調(diào)整偏心，還應該在更多的角度上進行調(diào)試。同時，用這種方法在實際應用中我們很難在顯微鏡視野范圍內(nèi)準確地找到兩條對徑放置的線條，偶爾錯碼道調(diào)試，沒有實現(xiàn)將碼盤偏心調(diào)致最佳，從而影響編碼器讀數(shù)。

由此我們不難發(fā)現(xiàn)這種調(diào)試偏心方法有很多缺陷。接下來介紹的電信號調(diào)偏心方法解決了以上問題。

在編碼器精碼對徑位置上放置兩個接收管，通過電信號讀出兩個最外圈精碼信號。先看其中一的信號輸出情況，因為有偏心存在，我們在示波器顯示的圖像中會發(fā)現(xiàn)其信號幅值時大時小，上下串動。我們標記其幅值的最大值Hmax和最小值Hmin，在對徑Hmax與Hmin方向上進行調(diào)整。調(diào)整量Δh=（Hmax-Hmin）/2。經(jīng)過多次調(diào)整，使信號幅值基本不變。在傳統(tǒng)調(diào)試中這一步就是單鏡粗調(diào)過程。完成上述過程后，接下來我們進行精調(diào)，在對徑放置的另一個接收管讀取最外圈精碼信號，用示波器X-Y檔觀察兩者的差動，碼盤旋轉(zhuǎn)起來時會發(fā)現(xiàn)信號長短變化，如圖4所示。

這一變化所反映的相位變化量為偏心量的2倍即2e，這時把碼盤沿兩接收管連線的垂直方向上調(diào)整，調(diào)整量為兩個極值點變化量的一半。在調(diào)試過程中會出現(xiàn)差動圖像翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這時可耐心觀測其翻轉(zhuǎn)變化規(guī)律。當偏心量是精碼周期四分之一時，差動圖就翻轉(zhuǎn)一個圓；當偏心量是精碼周期二分之一時，差動圖就翻轉(zhuǎn)二個圓；當偏心量是精碼周期四分之三時，差動圖就翻轉(zhuǎn)三個圓；當偏心量為精碼周期時，差動圖就翻轉(zhuǎn)四個圓；當差動圖翻轉(zhuǎn)好幾個圓時，這個時候通過示波器觀察兩個極值變換點，也就是同相相位往反相相位變化時候或者反相相位往同相相位變化時，這兩個個時刻就是極值點此時把碼盤沿兩接收管連線的垂直方向碼盤方向調(diào)整，調(diào)整量為變化量的一半。如果差動圖形翻轉(zhuǎn)8個圓，此時偏心量為精碼二個整周期，這時觀察示波器顯示的差動圖像敲回4個圓，依此類推調(diào)整到差動圖相位關(guān)系不變?yōu)橹?。此時偏心已經(jīng)調(diào)成。此過程這相當于傳統(tǒng)的雙鏡調(diào)偏心過程。

這個方法改變了傳統(tǒng)的用兩臺顯微鏡在對徑180度敲偏心方法，提高了偏心調(diào)試的準確性，也節(jié)省了時間同時又降低了勞動強度。該方法能準確、快速完成光電軸角編碼器碼盤調(diào)試，既節(jié)省了時間同時提高調(diào)試精度。目前該方法在編碼器碼盤偏心調(diào)試中已得到廣泛應用，也提高了工作效率。也解決了傳統(tǒng)顯微鏡調(diào)試碼盤時出現(xiàn)特定情況無法安裝顯微鏡的難題。因此光電信號調(diào)試碼盤偏心的方法既提高了編碼器的精度也提高了調(diào)試當中環(huán)境適應性。

2電路設計對精度影響

編碼器系統(tǒng)電路包括：光電信號整理電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA數(shù)據(jù)處理電路、接口電路、控制軟件、電源等。

1）光電編碼器粗碼光電信號采集系統(tǒng)由發(fā)光裝置、光電接收裝置、差分放大器等組成。光源發(fā)出的紅外光線經(jīng)過狹縫，由主軸帶動旋轉(zhuǎn)的碼盤，經(jīng)過碼盤上的碼道也就是明暗相間的條紋后照射到光電接收裝置上，接收管會形成有規(guī)律的電信號。光電接收裝置由二極管，三極管組成，有5V偏壓供電當光敏二極管接收到紅外光線照射會產(chǎn)生微弱的光電流由三極管放大并由發(fā)射極輸出，通過采樣電阻采集信號將光電流轉(zhuǎn)變成較好的模擬電壓信號，這時候經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換變成的微弱電壓信號，不能夠滿足后續(xù)電路處理的需要，必須對微弱的原始電壓信號進行放大，然后經(jīng)過比較器使其輸出方波信號，送入中央處理芯片進行粗碼查表譯碼。此過程是將物理量機械角度信息轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)字代碼的中間媒介，是完成物理，光，電信號轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。同樣也是高質(zhì)量莫爾條紋信號形成的重要組成部分。為接下來的細分，精碼信號處理打下基礎。

2）光電編碼器精碼光電信號采集系統(tǒng)也由發(fā)光裝置、光電接收裝置、差分放大器等組成。與粗碼光電信號采集系統(tǒng)不同的是，精碼狹縫盤有四個窗口，呈田字形排列，接收管接收到的是四路相位相差90度的莫爾條紋信號。也就是有規(guī)律的正弦波。由于碼盤精碼碼道一周要刻上千對亮暗相間的條紋導致光柵線節(jié)距較小，光電接收管同粗碼光電信號采集系統(tǒng)一樣會產(chǎn)生微弱的光電流，并由光電接收裝置中的三極管發(fā)射極輸出，同時信號中有較大的直流電平分量和高次諧波分量，必須很好地處理這些雜質(zhì)才能提高編碼器的精度，采用對精碼信號進行差分放大的方法處理這些信號，一是可以消除直流電平分量，二是濾去信號中的偶次諧波分量，從而得到高質(zhì)量的莫爾條紋信號。將三極管發(fā)射極輸出的四路信號中的0度與180度兩路莫爾條紋信號通過電位計采集信號將光電流轉(zhuǎn)變成較好的模擬電壓信號，同理也對90度和270度這樣處理然后送入差分放大器進行差分放大。這樣我們就會得到兩路高質(zhì)量的信號。同理四路校正碼道光電信號也要進行同樣的采集與處理。然后將這些高質(zhì)量的信號進一步輸入到以FPGA為核心的信號處理電路；FPGA在工作時主要實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換時序控制、對粗碼查表并譯碼、精碼細分、精粗碼間的校正及數(shù)據(jù)并行輸出。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如下圖3。

電路部分影響測量精度的主要因素有細分誤差和量化誤差。細分誤差又由直流分量誤差、幅值誤差和正交相位誤差組成。

1）直流分量誤差：