基于LabVIEW的光柵編碼器動態(tài)特性檢測系統(tǒng)

吳文峰, 李志斌, 楊 勇, 夏 坤, 盧 丹

(上海電力學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

光柵編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將角度位置信號轉(zhuǎn)化成一系列脈沖輸出的角度測量傳感器，因其較高的測量精度和性價(jià)比被廣泛地應(yīng)用在航空航天、數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)監(jiān)測等精密測量與控制領(lǐng)域[1-2]。精度作為評價(jià)光柵編碼器好壞的重要指標(biāo)，是編碼器生產(chǎn)研制中必須進(jìn)行檢測的參數(shù)。目前國內(nèi)對于編碼器的檢測，主要是通過檢測編碼器的測角誤差，即通過比對高精度編碼器或基準(zhǔn)角度儀與被檢編碼器所測角度間的差值，以測角誤差來衡量編碼器的精度[3-5]。上述檢測還只是靜態(tài)的，無法反映編碼器輸出信號的動態(tài)特性。隨著社會的不斷進(jìn)步，各個領(lǐng)域?qū)τ诰幋a器的要求也越來越嚴(yán)格。由于編碼器的精度直接受輸出信號動態(tài)特性的影響，因此對于編碼器的檢測不能只停留在對編碼器的測角誤差上，還應(yīng)該對編碼器輸出信號的動態(tài)特性進(jìn)行檢測。對編碼器動態(tài)特性的檢測主要是對一定轉(zhuǎn)速下編碼器輸出信號的均勻性、正交性、脈沖信號占空比的檢測[6]。目前國內(nèi)常用的檢測方法是通過示波器觀測編碼器的輸出信號，但由于手動旋轉(zhuǎn)編碼器無法保證轉(zhuǎn)速的恒定從而檢測誤差大，并且檢測周期長，檢測過程繁瑣。在此基礎(chǔ)上，杜穎財(cái)?shù)忍岢隽死肧TM32F107 搭建編碼器自動檢測系統(tǒng)，解決了手動檢測中的不足，完成了對輸出信號的正交性和均勻性檢測[7]，但此種方法硬件電路設(shè)計(jì)較多，開發(fā)周期較長。

針對編碼器動態(tài)特性檢測中存在的上述問題，本文提出了一種基于LabVIEW的光柵編碼器動態(tài)特性檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足對編碼器輸出信號頻率、正交性、均勻性、脈沖信號占空比等的檢測。實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)具有檢測效率高，測量效果好，檢測結(jié)果清晰直觀等優(yōu)點(diǎn)。

1 光柵編碼器動態(tài)特性檢測原理

1.1 編碼器輸出信號

光柵編碼器旋轉(zhuǎn)時正常情況下輸出信號為AB兩路頻率相同，幅值相等，相位相差四分之一周期的脈沖信號。編碼器旋轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生一系列脈沖，脈沖個數(shù)取決于編碼器的線數(shù)，線數(shù)越多編碼器分辨率越高。通過測量編碼器輸出AB兩路脈沖信號的相位前后相對位置，可以獲得編碼器的轉(zhuǎn)向信息；通過對編碼器輸出信號脈沖計(jì)數(shù)，可以獲得編碼器轉(zhuǎn)過的位置信息；通過測量編碼器輸出信號脈沖頻率，可以求取編碼器的轉(zhuǎn)速信息。

1.2 動態(tài)特性檢測原理

編碼器動態(tài)特性的檢測主要是對輸出信號的均勻性、正交性、脈沖寬度占空比的檢測，檢測原理圖如1所示。

圖1 信號方波檢測原理圖

對于均勻性J、正交性Z和占空比O的檢測，可以結(jié)合檢測原理圖和式(1)～式(3)，進(jìn)行說明如下：

(1)

式中：W1，W2分別是脈沖信號A的連續(xù)兩個周期的高電平持續(xù)時間；T為信號A的一個周期時間；W3為脈沖信號A，B之間的相位差；W4為信號B的半周期時長。均勻性與占空比是用以表征輸出信號脈沖勻稱情況，正交性是用來衡量AB兩路正交信號的相位偏移程度。由此可知，我們只需測出相關(guān)字母所對應(yīng)的時長W1～W4，再代入式中就能得到所要求的量。

2 基于LabVIEW的光柵編碼器動態(tài)特性檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的檢測系統(tǒng)，進(jìn)一步解決編碼器動態(tài)特性傳統(tǒng)檢測方法中所存在的檢測周

圖2 檢測系統(tǒng)總體架構(gòu)

期長、檢測誤差大、檢測過程繁瑣等缺陷。系統(tǒng)主要由無刷直流電動機(jī)、直流電動機(jī)穩(wěn)速控制模塊、聯(lián)軸器、被檢編碼器、系統(tǒng)支架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PC顯示器組成。

檢測系統(tǒng)工作時，直流電動機(jī)穩(wěn)速控制模塊驅(qū)動控制電機(jī)以給定的速度穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，在聯(lián)軸器的聯(lián)結(jié)下，無刷直流電動機(jī)帶動被檢編碼器做同軸同速旋轉(zhuǎn)；系統(tǒng)支架用于固定安裝電機(jī)與被檢編碼器，保證兩者轉(zhuǎn)動過程中能夠穩(wěn)定不晃動，有助于減少因高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動帶來的誤差問題；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于測量采集公式中所提到的相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理；PC顯示屏便于直觀清楚地顯示所檢測的結(jié)果數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NI公司生產(chǎn)開發(fā)的NI PXIe-6361多功能數(shù)據(jù)采集卡以及LabVIEW編程軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。PXIe6361提供了豐富的模擬I/O和數(shù)字I/O以及四個32位計(jì)數(shù)器/定時器，時鐘頻率最高可達(dá)100 MHz，能夠較好地應(yīng)用于PWM、編碼器、頻率、事件計(jì)數(shù)等應(yīng)用。該設(shè)備利用高吞吐量PCI Express總線和多核優(yōu)化的驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件，提供了高性能功能。結(jié)合LabVIEW圖形化編輯語言G編寫程序簡單易懂的優(yōu)勢，只需編輯程序框圖，即可在前面板上清晰快捷地設(shè)計(jì)測量界面[8-9]。通過使用隨附的NIDAQmx驅(qū)動程序和配置實(shí)用程序，無需過多的硬件電路與驅(qū)動設(shè)計(jì)，便可快速地創(chuàng)建測量任務(wù)，可以大大簡化配置和測量，縮短開發(fā)周期，使得程序設(shè)計(jì)更加高效便捷，結(jié)果顯示更加直觀方便。

前面提到編碼器動態(tài)特性檢測的原理，對于均勻性、正交性以及脈沖寬度占空比等的測量都是基于對時間的測量，因此只需編程測量脈沖信號的相關(guān)時段，再按照式(1)～式(3)設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)值計(jì)算便可求取。

均勻性測量的程序框圖如圖3所示。

任務(wù)中創(chuàng)建脈沖寬度測量的虛擬通道，采樣模式設(shè)置為連續(xù)采樣，數(shù)據(jù)讀取為單通道N采樣，每次循環(huán)采樣數(shù)設(shè)置為編碼器的每周輸出信號數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)整周采樣；在計(jì)數(shù)器0采樣中，創(chuàng)建抽取數(shù)組用于存放相鄰采樣脈寬周期，再按照式(1)在程序中設(shè)置數(shù)值運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果用一個數(shù)組存放，取其最大值便可求取整周輸出中均勻性誤差最大值。物理連接上只需將編碼器輸出信號AB兩路脈沖信號中的一路信號接至計(jì)數(shù)器0的GATE端即可。對于NI PXIe6361計(jì)數(shù)器0(CTR0)，GATE端為PIN 3(PFI9)引腳。運(yùn)行程序即可在程序前面板上得到測量結(jié)果。

圖3 均勻性測量程序框圖

正交性測量的程序框圖如圖4所示。

圖4 正交性測量程序框圖

任務(wù)中采用兩個計(jì)數(shù)器獨(dú)立計(jì)數(shù)，創(chuàng)建兩邊沿間隔與脈沖寬度測量的虛擬通道，采樣模式設(shè)置為連續(xù)采樣。物理連接上將編碼器的輸出信號A接至計(jì)數(shù)器0的輔助接線端AUX；將輸出信號B分別接至計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1的GATE端。對于NI PXIe6361計(jì)數(shù)器0(CTR0)，其AUX端為PIN 45(PFI10)引腳，GATE端為PIN 3(PFI9)引腳，計(jì)數(shù)器1(CTR1)GATE端為PIN41(PFI4)引腳。經(jīng)過上述連接之后，運(yùn)行程序在計(jì)數(shù)器0中將得到W3的測量值，計(jì)數(shù)器1中將得到W4的測量值，再通過程序中簡單的數(shù)值計(jì)算即可求取正交性百分比。采樣及計(jì)算得到的數(shù)據(jù)結(jié)果可以在前面板的測量界面中直觀地看到。

2.3 電機(jī)穩(wěn)速控制模塊

電機(jī)調(diào)速驅(qū)動選用ZM-BL4810K無刷直流調(diào)速器，該調(diào)速器采用大規(guī)模集成電路代替硬件電路設(shè)計(jì)，具有更高的抗干擾性能和快速響應(yīng)能力，同時支持8種狀態(tài)(詳見表1)的參數(shù)設(shè)置；采用電流、速度雙閉環(huán)的設(shè)計(jì)，低速力矩大，運(yùn)行平穩(wěn)，高速響應(yīng)快，穩(wěn)定可靠。

實(shí)驗(yàn)時將電機(jī)相線、霍爾線與調(diào)速器后面板端口上的相線、霍爾線依次對應(yīng)相連；通過前面板上的MODE/SET鍵進(jìn)入狀態(tài)參數(shù)設(shè)置，通過上下鍵調(diào)整不同的設(shè)置狀態(tài)，左右鍵調(diào)整參數(shù)的數(shù)值，分別設(shè)置實(shí)驗(yàn)中需要的轉(zhuǎn)速、加速時間，選擇有霍爾，閉環(huán)運(yùn)行以及鍵入電機(jī)極對數(shù)，按ENTER鍵予以確認(rèn)，按ESC鍵退出參數(shù)設(shè)置狀態(tài)；將控制信號端口的DIR轉(zhuǎn)向控制接線端懸空或接+5 V設(shè)置電機(jī)正轉(zhuǎn)，EN電機(jī)起?？刂平泳€端與地短接電機(jī)起動轉(zhuǎn)動。

表1 狀態(tài)代碼

3 實(shí)驗(yàn)與誤差分析

3.1 檢測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中選用的編碼器是德國赫斯默(HESMOR)公司生產(chǎn)的一款增量式編碼器(型號為HID-58K-360),此編碼器轉(zhuǎn)過一圈將輸出360個脈沖方波。實(shí)驗(yàn)在不同轉(zhuǎn)速下采用兩種方法對編碼器輸出信號的脈沖寬度占空比、均勻性和正交性進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看到，兩種測量方法的檢測結(jié)果基本一致，誤差在1%左右。對于實(shí)驗(yàn)中所用到的HID-58K-360編碼器，它的輸出信號脈沖寬度占空比約為39%，均勻性約為4%，正交性約為13%。采用示波器檢測時，同樣使用電機(jī)帶動編碼器轉(zhuǎn)動，減少因手動轉(zhuǎn)動編碼器帶來的轉(zhuǎn)速不恒定而產(chǎn)生的誤差問題。所要注意的是采用示波器檢測，只能鎖定有限個信號周期，檢測結(jié)果無法反映全周輸出信號的特性，會漏掉一些檢測點(diǎn)，檢測不到最大誤差?；诖司売?，在表2中看到，采用示波器的檢測結(jié)果要稍小于基于LabVIEW的檢測結(jié)果。另外，采用示波器檢測時，需要將測量的參數(shù)代入公式進(jìn)行手動求解，過程比較耗時。

表2 HID-58K-360編碼器動態(tài)特性檢測結(jié)果

3.2 誤差分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，檢測結(jié)果會受到電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，電機(jī)與編碼器軸連接的同軸度以及數(shù)據(jù)采集速率的影響。電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定與否，將對輸出脈沖信號的周期頻率產(chǎn)生影響，從而給編碼器動態(tài)特性的檢測引入誤差，將此誤差記為δ1；輸出信號受電機(jī)與編碼器聯(lián)結(jié)同軸度影響而產(chǎn)生的誤差記為δ2；由高速旋轉(zhuǎn)，輸出信號頻率過快，從而數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生的誤差記為δ3。

對于δ2，此誤差主要由選用的聯(lián)軸器所確定，設(shè)計(jì)中選用的是彈性聯(lián)軸器，超強(qiáng)的彈性扭矩可吸收振動，抵消徑向和角向偏差，其帶來的誤差不超過2″。

4 結(jié) 語

本文基于LabVIEW的光柵編碼器動態(tài)性能檢測系統(tǒng)，采用LabVIEW 軟件搭配NI多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與檢測設(shè)計(jì)，將圖形化編程簡單高效的特點(diǎn)以及高速數(shù)據(jù)采集的雙重優(yōu)勢結(jié)合起來，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，提高了檢測系統(tǒng)檢測效率與檢測精度。通過實(shí)驗(yàn)與誤差分析，此檢測系統(tǒng)能夠滿足300～1 000 r/min調(diào)速范圍內(nèi)，對精度不超過18″光柵編碼器輸出信號脈沖寬度占空比、正交性、均勻性等動態(tài)性能的檢測。