（机械电子工程专业论文）基于tms320f2812的光栅编码器超高倍细分器的设计.pdf

摘要 摘要 光电轴角编码器是一种以高精度计量圆光栅作为检测元件并集光、机、电于 一体的数字测角传感器，在工业生产领域有相当广泛的应用。并且在许多场合 下，需要高分辨率的光栅编码器。目前，印刷机械采用无轴传动已经是印刷行业 创新及现代化，实现更高的生产与经济效益的基本手段之一。无轴传动是一种速 度与位置( 相位) 双重同步的闭环控制系统，系统中需要有位置和速度两种传感 器，但为了简化系统的复杂性和降低成本，在伺服系统中，通常只安装位置传感 器，速度信号由位置信号对时间差分来获得。目前国外的无轴传动系统普遍采用 分辨率大于1 0 0 万线转的旋转位置编码装置。s e r c o s 标准的旋转角度分辨率为 3 6 0 万线转。 如果要精确测量到一个旋转的角度，通常有两种方法：其一是使用一个已经 有很高精度的光栅编码器，另一种方法是细分现有的一般精度的编码器。一般情 况下把两种方法结合是最好的解决方案。 然而，光栅编码器输出信号往往带有多种形式的误差，不适合直接用来做细 分输入。因此本文主体部分是一种光栅编码器误差的自动校正方法，它可以根据 光栅编码器的输入自动校正其误差，极大地提高了光栅编码器输出信号的规则 度，可以用于对增量式或绝对式编码器的细分误差校正，因而可以使编码器在各 种甚至恶劣的环境下正常工作，提高了编码器抗干扰工作的能力。 本课题中主要采用2 8 1 2 来提高细分精度，并且实现方法采用数值分析计算 的方案，实现起来相对简单、灵活。硬件软件设计主要包括：在a d 转换之前采 用了硬件校正a d 采样的方法；采用了超低噪声、低纹波电源以及超低噪声运放 以减小细分信号的噪声；在产品今后的应用当中，主要通过双口r a m 进行接口通 信与控制；而在测量误差评估过程中显示结果则使用了n i 的虚拟仪器h s d i on i 6 5 5 2 。 在软件设计方面，采用在一周期内均匀抽取2 组各5 0 个采样，并采取多值 拟合建立5 元一次方程组，采用g a u s s 法解方程组，计算出5 个细分误差参数， 之后才进行细分计算；计算结果由两部分组成，计大数的2 8 1 2q e p 计数部分以及 计小数的细分部分，细分部分通过a d c 以及之后的计算输出；计算细分数时，不 同以往细分采用反正切算角度的方法，计算中采用了一种新的将正余弦信号转为 一路锯齿波信号形式的方法，并对该非理想的锯齿波信号在计算中加入了误差补 偿。 关键词：d s p2 8 1 2细分误差参数误差解决理论双口r a m a b s t r a c t t h eo p t i c a le n c o r d e ri sas e n s o ru s e di nd i s p l a c e m e n tm e a s u r ew h i c hi n t e r g r a t e s l i g h t ，m e c h a n i c sa n de l e c t i r c sa l l t o g e t h e r , i t sw i d e l y u s e di nt h e i n d u s t r y p r o d u c t i o n a n di nm a n yc a s e s ，w en e e dao p t i c a le n c o r d e rw i t h e n o u g hh i g h a c c u r a c y n o wa d o p t i n gs h a f t l e s sd r i v es y s t e mi nt h ei n d u s t r yp r i n t e rb u s i n e s sh a s b e c o m et h er e p r e s e n t a t i o no f c r e a t i v i t ya n dm o d e r n l i z a t i o ni nt h ep r i n t e rb u s i n e s s ，a n d ab a s i cw a yt or e a l i z ew i t hb o t hab e t t e rp r o d u c t i o na n de c o n o m i ce f f i e n c y s h a f i l e s s d r i v es y s t e mi sak i n do fc l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mw h o s e a n g u l a rv e l o c i t ya n da n g l e a r ea l ls y n c h r o n i z e d ，t h e r en e e d sb o t ha s p e e da n dp o s t i o ns e n s o ri nt h i ss y s t e m a n dt o r e d u c et h es y s t e m sc o m p l e x i t ya n da l s ot h ec o s t ，i nt h es e r v os y s t e m ，t h e r eu s u a l l y p l a c eo n l yt h ep o s i t o ne n c o r d e r , a n dt h ea n g u l a rv e l o c i t yi sc o m ef r o mt h et i m e d i f f e r e n t i a lp a r to fa n g l e s h a f t l e s sd r i v es y s t e ma l l u s e so p t i c a le n c o r d e rw h o s e p r e c i s i o ni sb e y o n d10 0m i l l i o nl i n e s r o u n d t h es t a n d a r dr e s o l u t i o no ft h es e r c o s s y s t e mi s3 6 0m i l l i o nl i n e s r o u n d i fw ew a n tt om e a s u r ea na n g l ew i t hv e r yh i g ha c c u r a c y , p o s s i b l yt h e r ea r et w o w a y s ：t h eo n ei st ou s eao p t i c a le n c o r d e ro r i g i n a l l yh a se n o u g hh i g ha c c u r a c y t h e o t h e ri st oi n t e r p o l a t et h eo p t i c a le n c o r d e rt h a tw ec u r r e n t l yh a v e n o r m a r l l y , c o m b i n e b o t ho ft h e mi st h eb e s tw a yt ot h ep r o b l e m h o w e v e r , t h eo u t p u ts i g n a lo ft h ee n c o r d e rc a r du s u a l l yh a sm a n yk i n d so f e r r o r s ，i ti sn o tf i tt ou s ei td i r e c t l ya st h es o u r c eo ft h ei n t e r p o l a t i o n s o ，t h i st e x ti s m a i n l ya b o u taw a yw h i c hc a na u t o m a t i c a l l yc o r r e c t st h ee r r o ri nt h eo p t i c a l e n c o r d e r , i ta u t o m a t i c a l l yc o r r e c tt h ee r r o ra c c o r d i n gt ot h ei n p u tf r o mt h eo p t i c a l e n c o r d e r t h a tl a r g e l yi m p r o v e dt h eo r d e ro ft h es i g n a l ，a n di tc a nb eu s e db o t hi nt h e i n c r e m e n t a lo p t i c a le n c o r d e ra n da l s ot h ea b s o l u t e o p t i c a le n c o r d e r , s ot h a ti tc a n i n c r e a s et h eo p t i c a le n c o r d e r sa n t i - j a m m i n gf a c t o ra n dc a r lm a k et h e o p t i c a le n c o r d e r w o r ki nm a n ye v e nv e r yb a dc o n d i t i o n s t h i sp r o j e c tm a i n l yu s et h et m s 3 2 0 f 2 812t oi n c r e a s et h ea c c u r a c yo ft h e i n t e r p o l a t o r , a n dt h ea c t u a ld e s i g nu s e st h em e t h o do fn u m e r i cc o m p u t a t i o n ，i tm a k e s t h ew a yl o o k sl i k e e a s y a n df l e x i b l e t h eh a r d w a r ed e s i g n m a i n l yi n c l u d e s ：t h e h a r d w a r ed e s i g n e da dc a l i b r a t i o n ；a n di nt h eh a r d w a r e ，t h e r ea d o p t sak i n do fp o w e r s u p p l yf o rm eo p e r a t i o n a la m p l i f i e rw i t hu l t r al o wn o i s ea n dr i p p l e a n dt h eo p e r a t i o n a l a m p l i f i e rt o oi sw i t hu l t r al o wn o i s ed e s i g n ；i nt h ef u t u r e ，t h ep r o d u c tm a i n l yu s e sa d a r a mt oc o m m u n i c a t ea n dg e tt h ec o n t r o li n f o r m a t i o n ；b u ti nt h et e s ta n de s t i m a t e o ft h ep c bb o a r d ，w ec h o o s en i sv i r t u a li n s t r u m e n tc a r dn i6 55 2a st h es h o w w i n d o wf o rt h eo u t p u t a tt h eo t h e rh a n d ，i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，s a m p l e2s e to fd a t aw h i c hb o t hi n c l u d e s 5 0s a m p l e s ，a n du s e sm u l t i p l ev a l u et of i tas i m p l ee q u a t i o ns e tw i t h5e l e m e n t s 出e n u s eg a u s sm e t h o dt or e s o l v et h ee q u a t i o ns e t ，a n dt h e nt h ee r r o rp a r 锄e t e r so ft h e s i g n a li so b t a i n e da n dt h ei n t e r p o l a t i n gc o n s t r u c t i o nc a l lb ec a r r i e do u t ；t h er e s u l ti s c o n s i s t e dw i t h2p a r t s ，t h e ya r e ：t h ei n t e r p o l a t i o np a r ta n dt h el a r g en u m b e rp a r t ，t h e l a r g en u m b e rp a r ti sf r o mt h ec o u n to f t h e2 8 1 2 sq e p , t h eo t h e ri sf r o mt h ea d c t h e n t h e o u t p u to ft h ec o m p u t a t i o n ；b e f o r ew ec a l c u l a t et h ee r r o rp a r a m e t e r so ft h e s i g n a l ，t h e r ea d o p t sa l li m p r o v i n gm tm e t h o dt oc a l c u l a t et h e s p e e do ft h em o t o r f i r s t ；w h e nc a c u l a t i n gt h ei n t e r p o l a t i o np a r t ，u n l i k et h ew a yw ed i di nt h ep a s t ，h e r e c h o o s e san e ww a yt h a tf i r s tt r a n s f o r mt h ei n p u ts i n e ，c o s i n e s i g n a li n t oaz i g z a g w a v e f o r m ，a n da d d st h e c o m p e n s a t i o n t o c o n s t r u c t sam o r e p e r f e c tz i g z a g w a v e f o r m ，t h e nw ec a nc a l c u l a t et h ei n t e r p o l a t i o np a r ti na l le a s i e r w a yw h i c hi s 】i n e r a l k e y w o r d s ：d s p2 812e r r o rp a r a m e t e r si n i n t e r p o l a t i o n t h e o r ya b o u tt h e e r r o rc a l i b r a t i o nd a r a m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：枷驴5 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 该喜敦 新虢鹭珥隰趔7 多 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1课题学术背景及研究的意义 无轴传动技术是印刷装备领域中最新，发展最快的技术之一。目前，印刷机 械采用无轴传动已经是印刷行业创新及现代化，实现更高的生产与经济效益的基 本手段之一。国外无轴传动技术己进入普及阶段。国内由于基础零部件研发水平 较低，科研单位对无轴传动技术给予的关注不够，所以到目前为止，国内开发的 无轴传动印刷设备都是采用国外的系统和零部件，甚至连应用技术也完全依赖国 外开发。其结果必然导致成本大幅增加，损害了国产设备的廉价优势，对保持国 产装备在国际市场上的地位非常不利。因此，开发具有国内自主知识产权，高质 量、低价格的新型无轴传动系统是非常紧迫的任务。 无轴传动是一种速度与位置( 相位) 双重同步的闭环控制系统，系统中需要 有位置和速度两种传感器。为了简化系统的复杂性和降低成本，在伺服系统中， 通常只安装位置传感器，速度信号由位置信号对时间差分来获得。普通机床数控 系统没有速度同步的要求，通常按照位置精度的要求选择位置编码器即可。但在 印刷机上，印辊转速的微小振荡，都会在印品上留下色彩条纹，所以要求伺服系 统有很高的速度分辨率。在微处理器中，用差分方法获得的速度数值的有效位数， 通常比位置数值的位数要少的多。为了获得足够高的速度分辨率，必须采用超高 分辨率的位置传感装置。目前国外的无轴传动系统普遍采用分辨率大于1 0 0 万线 转的旋转位置编码装置。s e r c o s 标准的旋转角度分辨率为3 6 0 万线转。 直接采用高分辨率的位置编码器不仅价格昂贵，并且由于有可能用于军事用 途，某些国家对我国禁运。国内目前还不掌握生产这种超高分辨率位置编码器的 技术。一种可取的替代方案是采用中等分辨率( 比如2 0 4 8 线转) 的位置编码器， 加上数字式超高倍( 比如2 0 4 8 倍) 细分电路，形成超高分辨率的位置传感装置。 r e x r o t h 公司的s y - n a x 2 0 0 无轴传动系统就是采用这种方案。 高倍细分器电路国际市场上有现货出售，但价格十分昂贵，且只能与进口的 位置编码器配合使用。国产的伺服系统加装了这些附件之后，成本价格将会超过 进口的无轴传动专用伺服系统，从而失去市场竞争力。所以要想开发出我们自己 的用于无轴传动的伺服控制器，必须解决传感器高倍细分的关键技术。 国内在传感器细分技术方面作了很多的工作，但是很少有现成的产品出售， 并且也从来没有到过1 0 0 万线转以上的角位置分辨率。因此，开发较位置分辨 率大于1 0 0 万线转，转换时间小于1 0 0 微秒的高性能细分器是本论文要攻克的 关键技术。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 1 2 细分光栅编码器技术国内外概况 光电轴角编码器是一种以高精度计量圆光栅作为检测元件并集光、机、电于 一体的数字测角传感器，它采用光电转换技术将机械轴的角位置信息转换成相 应的数字代码输出，因而可实现对角度、速度和其它机械物理量的测量。近年来， 随着计算机技术、光通信以及光电子器件的发展，光电编码器的研制水平进一步 提高，新产品不断出现，技术更加完善。由于光电编码器具有高精度、高分辨力、 低能耗、非接触测量及输出稳定等优点，因而在现代的军事、航天、机器人工业、 医学、生物工程等各个领域的精密测量与控制设备中得到了广泛应用。 但是，受限于诸如技术以及成本等方面的原因，光栅编码器的分辨率大都不 能达到很高。比如课题中所使用的h e i d e n h a i n l 2 j 编码器，一转输出2 0 4 8 个正弦 周期，再加上q e p 电路的4 细分，能够达到的最大分辨率是8 1 9 2 倍。远低于产 品所要求的1 0 0 万倍细分的水平，因此需要更进一步采用细分电路实现。 在此就现有的几种细分方案做一下简单的描述，并最终根据实际情况和要求 给出了课题采用的方案。 1 2 1 细分方案1 这种细分方法【3 1 的基本思想是基于编码器输出的两路三角信号，用倍角三角 公式计算产生高频率的两路三角信号，从而可以产生高频率的二进制脉冲，再对 输出做4 细分 产2 口) - 2 s i n ( a ) ，c o s ( 口) ( 1 1 ) 【c o s ( 2 口) = l 一2 s i n 2 ( 口) 即s i n ( 1 3 ) 、c o s ( a ) 是己知的，因此s i n ( 2q ) 、c o s ( 2q ) 就能通过公式计算 出来。 通常，如果已知s i n ( q ) 、c o s ( q ) 有足够的精度，s i n ( nq ) 、e o s ( nq ) ( ，? z 1 ) 能够从下面的公式当中推导出来： s i n ( n e t ) = nc o s ”( c z ) s i n ( o r ) 一qc o s ”3 ( a ) s i n 3 ( 口) + qc o s n - 5 ( 口) s i n 5 ( c o ( 1 2 ) c o s ( h a ) = c o s ”( 口) 一c ：c o s ”2 ( a ) s i n 2 ( 口) + c ：c o s ”4 ( a ) s i n 4 ( 口) 一c c o s ”6 ( z ) s i n 6 ) + 用一个比较器来探测所有的过零点，可从s i n ( n q ) 、c o s ( n q ) 产生出正交二 进制脉冲。这些脉冲就可以送入一个普通的微控制器或是c n c 系统中作为位置 信息计数了，可以获得进一步的4 倍细分。该方法可以不要十分精密的a d 转换 第1 章绪论 电路。这里需要一张表用来得出细分信号。编码器信号的偏差可以在查表过程中 得到补偿。 1 2 2 细分方案2 这种细分方案1 4 j 采用类似的方法，但是通过r b f 神经元网络实现，因此避免 了方案l 当中的复杂表存储和查表运算。 在这里，r b f 神经网络被用来纠正并细分编码器信号。一个二层r b f 神经 网络被用来实现该方案。第一个神经网络层主要用来纠正非理想的编码器输入信 号，包括补偿直流误差，相位偏差，幅度偏移以及波形失真。该神经网络层可以 在线对应于编码器信号特性的任何变化和漂移作出改变，第二个神经网络层被用 来产生高频正弦信号，使用来自第一层纠正后的信号，基于此能够变换出一系列 的高频二进制脉冲信号，因此，能够被标准的伺服控制器的解码。 研( 七) 霞；( 2 ) 水) ，f ( 牙) s i n ( n 哟 呓眵) 、 c 皤( n p m c o m p e n s a t i o ns t a g e -i n t e r p o l a t l o ns t a g e o fr b fn e t w o r ko fr b fn e t w o r k 图1 1 二层r b f 神经网络简图 f i g u r e1 1s i m p l er b fd e r on e t w o r kc h a r to f t w ol a y e r s 该方法的主要优点在于：与其它方法相比，在纠正和细分编码器信号方面它 是可适应的。并且把该方法应用到已有的结构上也很简单。并且与第一种方法相 比，这里节省了大量的存储器空间。并且可以获得相当完美的f 弦信号，但是这 对于一些其它编码器信号来说，由于机械设计的限制，比较难以达到这个效果。 1 2 3 细分方案3 使用二相型p l l 5 1 ，首先介绍一下二相型p l l ： 北京t 业大学丁学硕l 学位论文 ，1 厂态毛置 。j ? 、。- s l n 日i bc 一 图i 2 二相型p l l 的相位探测器 f i g u r ei - 2 p h a s ed e t e c t o ro ft w op h a s et y p ep l l 在二相型p l l 里，输入信号和v c o 产生的两路信号如下： 2 口c 。s 9 | 26 9 0 s 9 ( 1 - 3 ) 只= a s i n o , jy o = b s i n o , j 这些信号可以用，：= ( t ，只) 和吃= ( 瓦，y o ) 向量表示如图2 所示。可通过公式 s i n ( 矽) = 专i 昔计算出来。电路中包括两个乘法器并且有下列算法： 儿= i r o i = x z y o - y a = a c o s o , b s i n s o a s i n 曰b c o s o o = a b s i n ( a , 一包) 口缈 ( 1 4 ) c o m p u t e r 图l - 3 二相型p l l 的方块图 f i g u r e1 3 b l o c kd i a g r a mo f t w op h a s ep l l 图3 所示的是一个二相型p l l 的方块图，同传统的单相型p l l 相似，从相 位探测器计算出的相位偏差被送到环路的滤波器，再送到v c o 中，使v c o 以 输入信号频率振荡。二相型p l l 的v c o 由一个v f ( 电压到频率) 变换器，一 个可逆计数器，以及两个r o m 7 s 和两个d a 转换器。由环路滤波器输出信号 控制的v f 变换器产生与输入信号电压成正比的频率的脉冲信号。v 原变换器输 第1 章绪论 出的脉冲由可逆计数器计数，并且计数器的输出值被送入r o m 7 s 输入端。在 两个r o m 7 s 中，信号的波形在r o m 7 s 表中记录下来。波形同编码器输出波 形样，是s i n 和c o s 三角波。因此两路输出信号的频率正比于v f 的输入电压。 当相位差矽被反馈环控制到0 的时候，v f 变换器输出的脉冲能够作为编码器的 细分过的脉冲。因此，细分脉冲是从v f 变换器中或是由一计算机直接读v c o 的可逆计数器产生。 v c o 的可逆计数器作为一个细分器，因此起位宽决定了细分器的最大细分 率。细分器的细分率表示输出信号一个周期中细分的脉冲数。例如使用一个8 - b i t 的计数器，细分器的最大细分率是2 8 。 1 2 4 项目采用的细分方案 采用a d 转换来实现细分，这应该是目前细分技术普遍采用的方法。又由于 光栅编码器输出信号往往带有多种形式的误差，所以并不适合于直接用来做细分 输入。因此这里使用一种光栅编码器误差的自动校正方法【6 j ，它可以根据光栅编 码器的输入自动校正其误差，极大地提高了光栅编码器输出信号的规则度，可以 用于增量式或绝对式编码器的细分误差校正，因而可以使编码器在各种甚至恶劣 的环境下正常工作，提高了编码器抗干扰工作的能力。图1 4 所示是一个细分器 的实现系统设计硬件框图。 。a b 图i - 4 细分器的实现框图 f i g u r e1 4 bl o c kd i a g r a mo ft h ei n t e r p r e t o ra p p li c a t i o n 北京t 业人学t 学硕 ：学位论文 1 3 课题研究的主要内容 课题的主要任务是要实现光栅编码器的高倍细分，达到要求的l ”的角度精 度，基于课题的基本要求，本文的主要工作内容如下： l 、硬件设计方面，以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 位核心实现了正交正弦波位置信号的高 速处理与高精度细分。另外，为确保细分的两路光栅编码器输入信号的噪声水平 严格控制在2 0 m v 以下，论文还采用了超低噪声、低纹波电源以及超低噪声运放 等措施以减小细分信号本身的噪声。 2 、软件设计方面：采用多值拟合建立5 元一次方程组，实现光栅编码器信 号当中误差的校正。同时对两路位置相关信号使用绝对值相减，然后再计算角度 位移以更好地实现细分计算。 3 、细分器调试及细分误差分析：设计完成细分器后，本论文还采用n i 的虚 拟仪器h s d i o ：n 1 6 5 5 2 ，对显示结果和误差测量进行了评估。 第2 章光栅测量原理及细分器硬件设计 2 1 光栅测量原理 光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感器。光栅式 测量是根据波动光学中光的干涉和衍射特性【7 i ，利用光通过相叠的两片光栅片时 形成莫尔条纹的原理进行的。图2 1 为光栅光学系统原理示意图。光学系统的作 用是形成莫尔条纹，并将莫尔条纹的光学信号转化成电信号。如图2 1 所示，其 中主光栅作测量基准用，一般情况下随工作台( 或转轴) 一起运动，所以又称动 光栅。指标光栅固定不动，又称定光栅。主光栅是光栅式测量中的主要部件，测 量的精度主要取决于主光栅。 3 。、 i 4 ， 一 i ， i - ， 1 形 j i 1 一光源2 一准直镜3 一主光栅4 一指标光栅5 一光电接收元件 图2 1 光栅光学系统原理示意图 f i g u r e2 - l s c h e m eo fo p t i c a lr a s t e rs y s t e m 2 1 1 莫尔条纹效应 莫尔条纹是一切计量光栅位置检测系统的基础，计量光栅技术本质上就是莫 尔条纹技术。莫尔条纹是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。如图2 2 所示， 将两块光栅( 主、指) 相叠合，并使两者的栅线有很小的交角0 ，这时，在近于 栅线垂直的方向上就会产生明暗相间的条纹，称为莫尔条纹，其中透光部分( 明 部) 是由一系列棱形图案构成的。 北京工业大学工学硕十学位论文 图2 - 2 更尔条纹 f i g u r e2 - 2t h em o i r ef r i n g l e 经分析可知，莫尔条纹具有以下性质： ( 1 ) 莫尔条纹间距对光栅栅距的放大作用在两光栅栅线夹角0 较小的情况下，莫 尔条纹宽度w 和光栅栅距d 、栅线夹角0 之间有下列近似关系： w d 0 ( 2 1 ) 令：k = i e 为放大系数。一般。很小，所以放大系数k 很大，因此可实现高灵 敏位移的测量。 ( 2 ) 莫尔条纹对光栅栅距局部误差的消差作用在光栅信号的拾取中，不是对一条 栅线信号拾取，而是对一个区域内部信号的拾取。因此会对几十、几百条线形成 的莫尔条纹信号进行拾取。个别栅线的栅距误差、个别栅线的断裂或其它疵病， 会得到均化作用，对于整个莫尔条纹的位置及形状影响很小，这样，莫尔条纹就 具有了对于光栅栅距局部误差的消差作用。因为栅距误差是随机误差，所以此误 差可用统计规律来估计，即莫尔条纹位置的标准差ox 和单根栅线位置标准差。之间的关系可近似用下式估算： ox = o n ( 2 2 ) 式中n 为参与形成莫尔条纹的栅线数【7 1 。 2 1 2 光栅式测量的原理 当光栅副中一片光栅( 一般是主光栅) 相对于另一片光栅沿着垂直栅线的方 向上相对运动时，莫尔条纹便沿着与栅线方向近似相同的方向作相应的移动。两 片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。假设两片光栅的栅线之 间没有间隙，而且不考虑光栅的衍射作用及认为两栅距严格相等，缝宽和线宽完 全一致，则根据简单的遮光原理，在图2 2 位置i 处，两片光栅线彼此完全遮盖， 第2 章光栅编码器删角原理及细分器硬件的设计 透光量为零；在位置i i 处，两片光栅线不彼此遮光，透光量最大。对于某一点来 说，随着动光栅的移动，光通量的分布将是个三角波。但实际上，上面的假设 是不可能完全成立的，再加上刻线边缘总有一定的毛刺和不直等因素存在，这样， 在光的干涉和衍射作用下，光通量分布将是个近似的正弦形，如图2 3 所示。 相应地，置于某一固定位置的光电元件接收到的光能量随着相对位置的变化而变 化，其输出的电信号也是按同样的规律变化，即每移过一个栅距，莫尔条纹移过 一个条纹间距，光电元件输出信号变化一个周期。 ( a ) 图2 3 光通量分布 f i g u r e2 - 3 d i s t r i b u t i o no ft h el u m i n o u sf l u x 光电轴角编码器是一种以高精度计量圆光栅作为检测元件并集光、机、电于 一体的数字测角传感器，在工业生产领域有相当广泛的应用。然而，由于光栅编 码器输出信号普遍存在一定的误差，对于光栅编码器的细分受到细分参数误差的 影响而通常都达不到很高。因此，要进一步提高光栅编码器的细分精度，就必须 找到一种切实可行的方法，使光栅编码器输出信号的误差减低。而在许多场合 下，需要高分辨率的旋转编码器。如果要精确测量到一个旋转的角度，通常有两 种方法：其一是使用一个已经有很高精度的光栅编码器，另一种方法是细分现有 的一般精度的编码器。一般情况下把两种方法结合是最好的解决方案。本章剩下 的内容将详细介绍基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 实现光栅编码器高倍细分器硬件设计的实 现。 2 2 硬件基本构思 光栅编码器输入的两路信号经过运放放大输出后，一路经电压比较器 ( c o m p a r a t o r ) 再到q e p 计数单元，另外一路则经过a d 转换后作为细分的依据。 这里分别称这两个部分为q e p 计大数部分以及a d 细分小数计算部分( 参考图 1 4 中的硬件设计简略框图) 。上述电路在设计中，需要注意以下几点： ( 1 ) 由于使用a d 高倍细分对信号噪声要求很高，因此对于运放放大输出 就有一个低噪声的要求( 小于2 0 m v ) 。 北京1 = 业火学工学硕j ：学位论文 ( 2 ) 由于编码器信号，特别是在换向动作时，可能q e p 单元会在一个固定 不动的位置不断乱计数，即存在抖动乱计数的问题，所以需要加入抗 抖动乱计数单元。 ( 3 ) a d 转换往往或多或少地带有误差，而通过软件查表的方法补偿的话， 速度慢还需要占用存储器资源，最重要的是这里会出现校不准现象， 因此这里采用硬件校正的办法实现a d 转换误差补偿。 ( 4 ) 由于光栅编码器原始输出就带有直流分量，实际在比较器操作时如果 仍然把信号的直流分量认为是o 的话，就会出现比较器输出的方波信 号的高低电平时间宽度不等的现象，因此这里采用d a 转换器由误差 参数计算过程中算出的直流分量作为比较器的参考电压输入基准。 ( 5 ) 为了充分利用2 8 1 2a d 模块的1 2 b i t 分辨率，这里使用了m i c r o c h i p 公 司的数字电位器m c p 4 2 0 1 0 ，它在一块芯片上集成了两路数字电位器， 在改变运放放大倍数的情况下，在输入信号的直流电平始终保持在 1 5 v 左右的情况下，通过调整数字电位器电阻值使运放始终输出一个 大约在o - - - 3 v 范围的正弦信号。 ( 6 ) 由于产品最终使用在无轴传动系统伺服控制单元，并且大多都是2 8 1 2 之间的通信，因此这里选择了一个双口r a m 芯片作为接口，达到了 操作简单、方便的效果，再配合上2 8 1 2 的捕获功能以及d a r a m 的中 断机制，基本保证了通信的实时性。 ( 7 ) 为调试考虑，这里选择使用了n i 的h s d i o ( 高速数字1 0 ) 虚拟仪器 来调试细分器，因此使用了2 8 1 2 的1 6b i t 的g p i o b 作为输出数据的 接口。 2 3 光栅编码器信号输入处理 2 3 1 运放缓冲输入单元 从光栅编码器输出的三路信号a 、b 、r ( 即光栅编码器的正余弦和r e f r e n c e m a r k 信号) 需经过运放的缓冲后才能继续处理瞵j 。因此，经过一番芯片的选型之 后，这里选择t b b 公司的o p a 3 7 9 j 超低噪声运放，它的噪声特性：4 5 n v h zm a x a tl k h z ，直流电平偏差低且低漂移( l o wo f f s e ta n dl o wd r i f t ) ，供电电压可以 是4 v 到_ + 2 2 v 之间。并且为了充分利用a d 转换器的1 2 位分辨率，选用了 m i c r o c h i p 公司的m c p 4 2 0 1 0 来调节运放的放大倍数【i 训，还有就是为了保证运放是 作为一个差分运放输出的直流电平在1 5 v 左右，选用了两路电位器同时调整的方 法，从下图的电路中也应当能够看出设计的意图。还有因为在m c p 4 2 0 1 0 的数据 第2 帚光栅编码器测弁| 原理及纠分器硬件的设计 曼! ! 曼! ! 曼i = i = ；_ - - i i 一- w 一一一一一一= i 鼍曼篡 手册里说明了其双路d i g i t a lp o t e n t i o n m e t e r 的偏差不大于1 ，在这里已经足够用 了。电路图如图2 4 a 】所示： a d i n a 0 u 2 2 梨坠：；蠢 里中shd = n 卡 。璧卡 三黧。p w i 留v 01 一p i p a 0 ：一 图2 4 a 运放缓冲输入部分电路 f i g u r e2 4 a b u f f e ri n p u tp a r tb yt h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r 在这里为了调试方便，还用了一个运放构建积分电路以模拟光栅编码器的两 路s i n 矛t l c o s 信号【1 2 】，电路图如图2 4 b 所示 如图2 - 4 b 模拟光栅编码器信号输出的电路 f i g u r e2 4 b c i r c u i tf o rs i m u l a t i n gt h eo p t i c a le n c o r d e rs i g n a l 2 3 2 比较器单元 型 输 比较器单元电路实现简单，这里选择了常用型号比较器l m 3 3 9 ，它是四差分 工r 孽毒0 m # 善- a s n 7 4 1 5 0 4 d 图2 5 比较器转换q e p 计数脉冲单元 f i g u r e 2 - 5c o m p a r a t o rc o n v e n t i n gp a r tf o rt h eq e pc o u n t e r 输入比较器，需要说明的是由于为后面的q e p 精确计数考虑，因此使用了d a c 出的比较器参考电压，电路图如图2 5 所示，当然，这只是a 路信号的部分， 北京t 业大学1 二学硕十学位论文 b 和r 部分的实现( 文中没作说明的话a 、b 两路信号使用的电路都相似，有时 可能也包括r 信号) 可以参考该电路实现。 2 4 电源供电单元 2 4 1电源的隔离供电部分( v c c ) 由于课题中需要用到两种类型的电源，分别是给d s p 及其它数字电路工作 的供电和运放电路单元的供电。因此两者之间必须实现隔离，在此选用了广州金 升阳公司的3 w 型宽范围输入，隔离5 v 输出( 即网路标号v c c 输出) 的 w r b l 2 0 5 c s - 3 w ，它的输入电压范围可以是9 v 1 8 v ，实验中测了一下它的纹 波输出相当的理想，在采用了两个大电容滤波之后，纹波输出只有大约1 0 m y 左 右。还有就是数字电路和模拟电路供电之间需要隔离，因此这里接了一个磁珠实 现( 不可以用电感) 。电路图如图2 - 6 所示： 一 i 1 4 孑鱼6 c h 5 6 c _ , n o v ：s 型蝰v 讯牙型士! 削i l 傩 n c o 二二= _ 飞匹：i 1 0 0 u f 凸垒丛配坚 j ，、 v c c g 型q q 型旦 半卜坚“盹峨业业爿n 业 2 4 2 运放供电部分 图2 - 6 隔离型5 v 电源电路 f i g u r e 2 6i s o l a t e d5 vp o w e rs u p p l y 在运放供电方面，操作起来就显得比较的麻烦了，由于编码器在采用一般运 放放大之后，其噪声能够达至l j 4 0 m v ( 峰峰值) 的水平。直接在李莎育( l i s s a j o u s ) 图形上看来就是二个圆，其周边有许多的很不规则的毛刺，并且噪声水平越高， 毛刺就越显眼( 在后一章节将详述这个问题) 。为了解决这个问题，设计中采用 了一个低纹波的供电电源输入( 纹波只有5 m v 左右) ，采用t i 公司的l d o t p s 7 2 3 0 l ，由于它是一个负电压型的低噪声l d o ，因此要在正电压环境中使用 就需要一些小的变换工作，其输出电压最大可达1 0 v ，变成一个给运放正负供电 的情况是运放的供电电压可达：+ 5 v 。它的输出噪声是：典型值6 0 9 v r m s 。注 意这里的运放需要正负双电源供电，因此采用了一个电源变换电路【l 引，使用一个 运放单元t l 0 7 1 来实现该功能。电路图如图2 7 所示： 第2 帝光栅编码器测角原理及细分器硬件的设汁 曼竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! 曼! ! ! ! ! 曼! 鼍! ! 苎! ! ! ! ! ! ! 鼍! ! ! ! ! ! ! ! ! i ! ! ! ! 鼍! ! ! ! ! 苎! ! ! 曼! 曼! ! ! ! 曼! ! ! ! 曼 v o l 厂r f b j d z c n e r 2 7 d 图2 7 运放供电部分电路 f i g u r e 2 7p o w e rs u p p l yf o rt h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r 2 4 3d s p 电源转换供电单元 由于t i 的d s p 对其供电有一些要求，因此这里使用了他们提供的配套电源 模块t p s 7 6 7 d 3 0 1 给2 8 1