【doc】二十三位绝对式光电轴角编码器

【doc】二十三位绝对式光电轴角编码器 二十三位绝对式光电轴角编码器 l990年第2期光学机械总第113期 二十三位绝对式光电轴角编码器 熊经武万秋华 摘要:23位绝对式光电轴角编码器是最新的研制成果,它具有0.15秒的角分辨率, 优于?0.6角秒的标准偏差,稳定可靠本文彳r绍它的工作原理. 一 ,前言 光电轴角编码器是一种数字测角装置,它把轴角信息转换成数字代码,与计算机和显示 装置连接后可实现动态测量和实时控制.绝对式光电轴角编码器和增量式光电轴角编码器相 比较,具有固定零点,输出代码是轴角的单值函数,抗干扰能力强,断电后再工作不用重新 标定等优点,在天文望远镜,数字经纬仪,雷达,转台等致字化测量,跟踪和定位系统中, 尤其在一些大型军用设备翱高技术装置中得到广泛应用. 以往的大型精密跟踪仪器往往只甩轴角编码器宾时测量转轴所处的角位置,而控制系统 所需要的角速度则由测速发电机提供.由于这类仪器的调速范围较宽,并且几乎都要求在很 低的转速下工作,因此,不得不安装笨重而昂贵的测速发电机.省去测遗发电机,使编码器 在给出准确的角位置信息的同时,提供较宽范围的角速度(包括很低的角速度)信息,以改 善整个系统低速平稳性,是研制本编码器的主要目的. 为了提高编码器的角分辨率,测角精度和可靠性,主要采取了以下四项措施. 1.用单片机细分代替传统的电阻链细分,插补系数提高到512,编码器达到23位0.15 角秒的分辨率.从统计的意义讲,具有24位0.077角秒的分辨率. 2.采用高精度镀铬码盘,对径读数,使其测角精度优于0.6角秒(均方差) 3.用比较判别法代替奇偶校正,使精一粗校正范围扩大近一倍,编码器可靠性得到较 大提高. 4.增加粗码道光强补偿,提高了长期使用的稳定性. 实践i正明以上措施是有效的.新研制的编码器分辨率和精度都有较大提高,性能稳定可 靠,电路结构简单,成本下降.当采样频率为20c/s时,可测量低于1/2转/天的极低速度. 四台编码器在海船上已经使用三年,经受了恶劣条件的考验,从未出现故障. 本文着重介绍编码器工作原理,粗码光强补偿,精一粗校正,单片机细分和精度检测结 果. 二,编码器工作原理 编码器由致据采集装置和数据处理装置两部份组成.结构原理如图l所示. ] 数据采集装置包括:照明系统(含光源和光学系统)(1),码盘(2),读取狭缝 (3),光敏元件(4),轴系及固定结构(5). 数据处理装置包括:放大器(6),鉴幅器(8),采样保持电路(7),模拟开关(1O), A/D转换器(11),单片机处理系统(12),以及有关的输入,输出接13电路(9),(13). 图1躺码器结构原理I垄I 码盘是贮存轴角绝对位置信息的元件,固定在转轴上随轴旋转.它共设置了23条同心 圆码道,每条码道都是由等间隔的透光和不透光扇形图案构成,可代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 角度代码的 一位变 量.码盘上各码道的编码图案如图2所示. C一C四条称为精码道,由四条16,384对线/周的光栅码道组成,每条码道相位互 差 90.,每对线对应转角79.1角秒,具有16位分辨率.精码道决定了编码器的精度,在结 构安 一一 —————————————————————— 4 白…一'…一… 一三三一一三=一一三三一一届=—三一0'? &l一==一一三=一 &———三三=——=== ;;;;ii 三三一一三—三三=—一!;— 一0;=========一 一一一一? ————— } 月…E…E… 一一一一…一…一…… E==j… J一一一一一一J- H一0;=========一 一一一一 —————————————————一———————— - …'……|_. ' .…E一 ?一?一'一'一一'一'_l_ d—E一 …一 - iI : ;0拼 图2码道关系图 排上给予最优考虑 ,6i,B!,6.,执,条称为次精码逋B,_日.,.和.构成四位封闭的周期二 进制代码,分别_鞋L冉1,14,13位角分辨率=6和6与B和周期相同,相位差180.,用来 补偿和光强变化,并改善波形.- :一:和通圈共13条称为幸I毛码道.12条粗码遭按划二进制代码排列.通圈码道是均 匀透光的同心圆,用来补偿粗码逋光强变化 编码器共设置了三个读数头,它们和码盘可以相对运动,用来读取码盘的瞬时角位置信 息.对径安置的精1和精2读数头结构相同,都由精狭缝和与精码道,次精码道相对应的l0 个光敏元件组成一精虢缝与对应存码道图案周期相剐,用多狭缝的方式采集精码道和次精码 道的信息,取得积分效果,以减少码盘及狭缝工艺缺陷的影响粗读数头由粗挟缝和与粗码 道对应的13个光敏元件组成.粗狭缝是条透光的细缝.称为单狭缝,胄1于采集粗码道的信 息.读数头的布置如图3所示. 编码器仅用一只降压使用的白炽灯,通过 光学系统舟光照明码盘和三个读数头.33个光 敏元件分别收集透过码盘和读数狭缝的光,并 转换成电信号进入备自对应的放大器(6),粗 码道和两路次精码逍光电信号被放大后经鉴幅 器(8)和接口电路(9),送人单片机(12) 两路精码道光电估号被放大后由采样保持电路 (7)存贮,经模拟开关(1O),分时送入 A/D转换器(11),转换成数字量,经接口电 路(9),送入单片机. 图3读数头布置图 单片机在采集到上述数据后,首先对精1读数头的精码道数据进行细分运算,把79.1角 秒周期的精码道细分512份,使编码器具有O.15角秒的高分辨率.接着,把次精码道的周期 二进制代码转换成自然二进制代码,用细分得到的精码根据奇偶判别原理实现对次精码的校 正处理.精码对次精码的校正称为精一精校正,本编码器可校正范围接近?20角秒.精码加 上经校正处理的次精码形成精1读数,用y表示.重复上述处理,可得精2读数头的读数. 精1和精2读数相加被2除,消除了轴的幌动和码盘偏心影响,称为精读数.它构成编 码器角度代码的低l2位(2-.,2.,……2tn),直接决定了编码器的精度和分辨率.单片机把 粗码由周期二进制译成自然二进制代码,称为粗读数,用表示.采用以精1读数为基准的 比较判别法对粗码实现精一粗校正,校正范围由传统的?80角秒扩大到以精1读数为参考的 ?160角秒.校正处理后的读数加上精读数,构成23位绝对式光电轴角编码器盼总角度代码 2-',2.,……2",2.单片机通过输出扩展口(13)和(14)分别实时输出和显示.最低 有效位2代码相当24位编码器的角分辨率0.077角秒. 三,粗码光强补偿 维持光源发光强度长期稳定,是解决编码器经久耐用的重要环节.过去这类编码器在使 用一殴时间之后,要采用人工的方法重新调整粗码道的光电信号幅值,以适应光强衰减的变 化.调整工作麻烦费时. 55 采用光强自动补偿可起到与稳定发光强度同样的效果.精码和次精码通过设置两个相位 相差180.的码道,利用差分放大自动补偿光强的变化.粗码道多,不能采用上述方法.试验 表明,采用浮动比较电平方法进行光强补偿简单易行,效果较好.原理如图4所示. 图4粗码道光强补偿原理图 把通圈码道的光电信号放大后傲为与各路粗码道光电信号比较的基准,当光强发生变化 时,通圈码道和粗码道光电信号变化比例相同,基准电平按照与码道电平相同的变化比例浮 动,使码道转换点(码遭"01状态变化处)不变,实现了光强自动补偿. 实际上灯泡使用一段时间后,表面发黑的程度并不完垒均匀,因此不可能垒部补偿光强 的衰减.但变化趋势一致,仍可消除大部分误差.该方法对因点灯电源波动所引起的光强变 化补偿效果特别明显. 随着工作温度的变化,光敏元件的灵敏度也发生改变,由于变化趋势相同,也能得 到有 效的补偿. 四,精——粗校正 传统的精一粗校正,为了避免在精1读数和精2凑数对径相加时,头尾衔接处出现不定 状态,处理时不得不舍去最高位代码,使精码有效读数周期缩短一倍.精一粗校正范围仅是 1 精码读数周期的4-寺(还要多设置一条与读数无关的校正控制码道).本编码器精读数周期有 l3位分辨率,校正范围近似等于?80角秒.采用比较判别法进行精一粗校正,不用增加次精 码遭就可扩大校正范围,且省去校正控制码道,简化了结构,简少了电路. 在新校正方法中,三个读数头的读取挟缝的准确位置安排如图5所示.当粗读取狭缝位 于码盘零位时,,码道处于转换点,其它粗码道处于暗区的中心.精1读取狭缝被安置在 11 B.码道的前?周期处,而精2读取狭缝被安置在码道的后}周期处. 由于精1和精2读数相互错开周期,当两读数头各自变化不超过?{周期,也就是互4 差不超过?周期时,对径相加不会出现不定状态,所以不用舍去读数代码的最高位,校正 范罔可比前扩大近一倍. ....——....... 1......… 二__二二 亡二-_ :: —=—=二—=—=二 ————.. _-J—— 图5读取狭缝关系图 两精读数相加除2后,函数(告+导)在精码周期内不是线性递增.为此,必须加一校 正因子?.?是由精l和精2读数比较时决定的~y>zN,N:l(相当精读数周期的一 半),否则,N=0. 在精粗读数组合相加时,用精码对粗码进行校正,为了使编码器输出的角度代码与轴角 线性变化,还必须加一校正因子?.M是由精1码Y和粗码,,决定.当,:0,.:l 时,Ml(相当精读数一个周期).关系如表1所示.y,是精l读数的自然二进制代码的最 高位.,是粗读数的自然二进制代码的最低位,由l2条粗码道代码(A,--A.:)经过译码产 生的,它的转换点包含了粗码道的所有转换点,对它的校正,就是对所有粗码道的校正. 对径相加和精一粗校正处理后,编码器的输出"按下式计算 "一++鲁+M+N(1) k工舭 图6数据读出关系 t他位) 袭lM蠢位击 精读数周期为2"量化值,所以?=1时,相当在读数中加2"量化值.当M=1时,相 当加2-量化值.读数关系如图6所示.可以看出,经过处理后,编码器的轴角代码零位已不 是码盘原来的零位,读数比码盘超前了2"量化值. 五,单片机细分 为了提高编码器的分辨率,我们采用单片机实现插补系数为512的细分处理. 1."计算法"细分原理 单片机细分是根据两路正交奠尔条纹信号的幅度和相位的确定关系,通过对幅度变化的 判定来计算位移.在精密位移测量装置审,一般采用四只光敏元件同时接收同一周期内的莫 尔条纹位移信息,以取得相位互差{周期的一组四相光电信号系统. , :sinO l"2=cosO l"3=一sinO 4:一cosO (2) 这是一组理想的四相交流信号系统,单片机"计算法细分电路的设计和参数计算都是 以此为依据 由(2)式可得虬=1一"3=Asin0,"="2一":Boos0,假定A:B,则 = 器:? (3)武既消除了两路信号幅度同时波动的影响,又隐含了确定位移的信息. 单片机通过/D转换电路采集","的数值计算出相角O=arCtg=arctg(器), 从而确定位移.令代表细分份数,71.代表某一相角0所对应的细分值, 丁.=告一arctg(争). ? 0?口?2 由于arctg(—)在o,2范围内为多值函数,所以要把71?处理成单值函数. AsinO.Bcos~的正负号与各象限的对应关系如表2所示. 单片机根据AsinO和Bcos0N正债号判断0所在象限,确定象限纽分常数.每个象限都 襄? BCOS0f+ 按I象限的方法处理,求出第1象限细分值,然后加上该象限的细分常数,便可求出 该角的 细分值. 若一代表第1象限细分值,D,D.,D.,D分别代表I,?,?,?象限细分常数, 则有下列表达式: = 寺arctg『{I? T.=7',I+D(6) (=4) 由于詈,tg一..,单片机不能正确运算(如图7),为此把I象限分成o,詈.詈 , 詈两个区间,分三种情况: 砉一arctgAsin(o?<;) 詈(=罟) 一一 言一rctgJIc{<?詈, 囱7 7 ( ^^^ lO3 === ((( On一4?一2 = D ?.单片机细分硬件及软件 根据细分原理,设计}=}l单片机细分电路如图8所示. 从精1码道和精2码道对应的光敏元件进出的四相信号Ct,C,C,C经差分放大 抑制了偶次谐波和共模量的影响,使信号质量得到改善,放大后送出的四路信号Asin0, Boos0,Asin0,Boos目送入采样保持电路单片机控制发出采样脉冲,四路采样保持电 路(S/H)同时进行采样,并保持所采集的Asin0,Boos0,AsJn目,Boos0的瞬时值, 圈8单机细分电路原理图 由软件控制多路开关选择一路进行A/D转换.A/D转换结束后,转换器发出"转换结束" 信号, 通知 关于发布提成方案的通知关于xx通知关于成立公司筹建组的通知关于红头文件的使用公开通知关于计发全勤奖的通知 单片机读取此路数据,然后进行另一路信号的转换.经过四次A/D转换,就把 Asin0,Boos0,Asin目,Boos目信号在采样时刻的瞬时值变为数字量输入给单片机 8OC39. 令:512,单片机就可根据(5)分别求出精1,精2采样时刻的细分值 细分程序是用片机汇编语言编写的,其流程图如图9所示 圈9细分程序流程圈 3.细分误差 在精码系统中,由于光栅透光不均匀,黑自比不相等,码盘与精狭缝间隙变化}光敏元 件的非线性及灵敏度,温度特性,暗电流不一致;线性电路漂移和失真,以及装调误差等等 原因,都会使波形偏离(2)式的要求,造成信号不纯,这将引起细分误差.误差的分析与 计算在文献中已详细列出. 信号通过采样保持电路时,由于存在孔径时间的不定性,保持电压下垂,馈送,漂移等 因素而引起波形失真.多路模拟开关的各信遭接通电阻的差异,温度漂移以及漏电 流也会造 成波形失真.A/D转换电路存在非线性失真,温度漂移,量化误差等,对细分精度有一定 影响.这些元件应选择合理. 分析和试验表明,诸误差中,信号不正交影响最大,但只要精心装调,这些误差都可控 制在一定范围内,单片机高插补系数细分可以满足使用要求. 六,精度检测 1.角分辨率的检测 将平面反射镜固定在编码器转轴上随码盘转动,用自准平行光管瞄准测量,每四个分辨 率测一次,一个莫尔条纹周期共有512个分辨率,测量128个点.在编码器0.,45,90., 135.四个位置各测量一个莫尔条纹整周期,共测量512点,最大累计误差小于?0.4角秒. 2.精度检测 将24面棱体固定在编码器转轴上,随码盘转动.用自准平行光管瞄准,采用垒组合法测 量,鉴定时实测标准偏差?0.51. 参考文献 [1]AnalogtoDigitalEncoder,U.S.Patent2,966,726May.30?1961? [2]InterpoIationApparatusforDigitalEIectroniePositionMeasuringInst rumsnt.U.S.Patent4,225,931Sep.80.1980. [3]熊经武,王永臣}仪器仪表,第5卷,第二期,1984年 A23-bitAbsolutePhoto-electricRotaryEncoder XiongJingwuWanQiuhua Abstract The23——bitabsolutephoto??electricrotaryencoder developedisanup—to-dateproductwithanangular resolutionof0.15secondsofarc,anaccuracyofbetter than?0.6secondsofarc,greatreliabilityandstability. ThispaperdescribesItsoperationprinciple.