光电轴角编码器的细分误差快速测量系统

1.4 软件控制流程

要分析编码器在工作时的细分误差,数据采集速率要在100 ksps以上。本系统采用2片A／D转换芯片,分时采集编码器的4路信号,当读其中一片芯片的数据时,启动另一芯片开始转换。采用本方法4通道的最高采样速率可达120 ksps以上,2通道的最高采样速率可达240 ksps以上。

采集到的数据需要经过傅立叶变换,计算出编码器的细分误差。当数据量太大时,会给后续的数据处理带来很多麻烦;数据量太少时,又不能反映信号的真实情况。实验证明：编码器每个精码周期的最佳采样点数应在60～100点之间。在本系统中采样点设定为85点,根据编码器加速度的变化,采样点会在附近波动。DSP在接收到采样命令后,对编码器信号进行采样,首先,判断编码器的转速,设定采样频率,保证一个周期的采样点数在85点左右,连续采样3个以上完整的周期,采样完成后将数据一并传给计算机处理。

2数据处理

编码器输出的是角度信息,其输出信号是以角度为自变量的空间函数。如果数据采集卡的采样频率是固定的,并且,编码器是匀速转动,理论上可以得到等转角的角度信息。在编码器实验或工作时,数据采集卡的采样频率可以控制成固定采样频率,但编码器不可能是严格意义上的匀速运动,可以认为是加速度很小的等加速运动,所以,采集到的精码光电信号是非等转角的。在编码器工作时,采集2路相位差为π／2的正弦精码光电信号usin和ucos,首先,计算编码器的加速度,再利用线性插值法进行等转角处理,得到一组新的数据u′sin和u′cos,由u′sin和u′cos组成的精码光电信号就是一组等转角的光电信号。

编码器2路相位差为π／2的正弦精码光电信号ua和ub,精码光电信号通常含有直流电平、基波及高次谐波。高次谐波以二次和三次谐波为主要分量,故可其波形方程为

编码器精码光电信号具有周期函数的性质,任何一个周期函数,都可以展开为如下的傅立叶级数

式(4)表明：一个周期函数可以由常数项a0与各次谐波之和组成。其中,An为f(x)的各次谐波的振幅;φn为相应的各次谐波的初相角。这样,对实测数据信号进行谐波分析,可以求出a0,An和φn。

由于信号u′sin和u′cos是编码器的等转角信号,可以对其进行谐波分析。利用软件VC++编写计算程序计算出式(1)和式(2)的波形参数,即求出精码光电信号的波形方程。编码器光电信号的细分技术是建立在一定信号波形(通常为正弦波)的基础上。当波形参数偏离预定参数时,就会产生细分误差。细分误差用相位差表示就是实际细分点相位与理论细分点相位的差值,细分误差可以表示为

3实验测量

某21位增量式编码器为8192对线／周光栅盘,经电子学256细分后,分辨力为0.6"。利用数据采集卡将差分放大后的2路精码光电信号与数据采集装置的2路输入端相连,通过人机操作界面运行数据采集程序。采集编码器精码光电信号放大后的电压值,接人计算机得到动态数据,并计算动态细分误差。利用二十一面体和自准直仪,任意选择一个细分周期,测量静态细分误差,动态与静态细分误差曲线如图2所示。

4结论

本文提出了一种高精度编码器动态细分误差的快速测量系统,与传统的静态检测编码器细分误差方法相比,该方法检测编码器动态细分误差的实验过程简便、检测速度快。不仅可用于实验室检测,也可以用于编码器工作现场对编码器动态细分误差进行评估。实验证明：该方法是可行的。