高精度绝对式编码器的信号处理

1、第26卷第2期光电工程V o l 126, N o . 2文章编号:1003-501X (1999 02-0063-05, 四川成都610209摘要:多读数头数字量相加, 主要采用M CS 8031单片机为核心控制器, 将编码器的多个读数头信号分别量化, 再相加平均。该方法不仅能提高编码器的测角精度, 更重要的是可大大提高编码器的工作可靠性。关键词:绝对式编码器, 信号处理, 单片机。中图分类号:TM 55文献标识码:AThe Signa l Processi ng for the H ighPrec ision Absolute EncoderL IU Feng -wen(Institu t

2、e of Op tics and E lectron ics , Ch ineseA cad e m y of S ciences , Cheng d u 610209, Ch ina Abstract :A new data p rocessing m ethod fo r grating encoder is p resen ted in the pa 2p er . T h rough adding of m u lti p le num erical values from m u lti 2reading heads and u s 2ing M CS 8031single 2ch

3、i p com p ter as the ho st con tro ller , the m u lti p le signals from vari ou s reading heads w ill be respectively quan tized and then added . N o t on ly the m ethod can raise the angle 2m easu ring accu racy of the encoder , the m o re i m po rtan t is that the op erating reliab ility of the en

4、coder can be greatly i m p roved .Key words :A b so lu te encoders, Signal p rocessing , Single ch i p p rocesso rs .CLC nu m ber :TM 55引言绝对式编码器的每一角度位置输出一特定的码值, 它具有工作可靠性高, 抗干扰能力强的收稿日期:1998-02-26; 收到修改稿日期:1998-07-09作者简介:刘丰文(1969- , 男(汉族 , 四川潼南人, 中国科学院光电技术研究所助理研究员, 从事智能仪器和光栅传感技术研究。 特点, 在应用中越来越受到人们的重视,

5、 特别是在靶场设备, 各种经纬仪, 高精度数字控制系统及各种环境温度较宽的角度测量仪器中都采用绝对式编码器作为测角传感器。随着科学技术的不断进步, 系统对测量传感器要求越来越高, 研制小型化高精度高可靠性的绝对式编码器是光栅编码器研制的努力方向。96年我们承担了航天部北京13所的92124精密回转倾斜台的高精度22位编码器的研制任务, 用户要求精度高、可靠性高、温度范围宽、。为此我们采用了14。<158×62×<65(空心 , 仪器精度为±1(0. 5, 并通过-40+501图1系统原理框图F ig . 1B lock diagram of the s

6、ystem p rinci p le在22位绝对式编码器的研制中, 一般采用14位码盘, 再利用电路和软件处理实现8位插补细分, 最后获得22位编码器。为了实现高精度、高可靠性、尺寸小, 采用了码道间隔刻划的14位码盘, 刻划码道为A 1(20 , A 3(22 , A 5(24 , A 7(26 , A 9(28 , B 1(210 , B 3(212 , G 1(214 。利用电路细分得到A 2, A 4, A 6, A 8, A 10,B 2, B 4, 采用4个读数头数字量相加获得最终结果。系统原理框图如图图2中精码处理电路F ig . 2P rocessing circuit fo

7、r m edium fine code 1。2码道的前置处理经光电接收元件转换得到的光栅 原始信号较弱, 需经过放大、整形处理。其中粗码经放大、整形后送入微处理器进行逻辑处理即可获得A 2, A 4,A 6, A 8, A 10。中精码需放大并细分一次, 再整形送入微处理器, 其处理电路如图2。精码的质量要求较高, 在码盘上均布了4个读数头, 每个头取4路相差90°的信号, 对每4路信号进行差分放大得到相差90°的信号, 送入模数转换器量化。3微机处理电路单片机系统将编码器的信号(粗码、中精码、精码 采集到后, 利用软件进行一系列处理, 将所有信号有机地结合在一起, 最后获

8、得角度信息。处理过程包括精码细分, 码道校正, 数字量相加, 电调零, 度分秒转换及显示。程序流程图如图3。46光电工程第26卷第2期图3软件流程图F ig . 3F low chart fo r softw are 3. 1精码细分单片机光栅细分是一种信号幅值切割和相位细分相结合的细分方法, 它的基本原理是:将相位差为90°的两路光栅信号送入A D 转换器进行量化, 量化值实际是sin , co s 的幅值, 单片机将量化结果采入, 并通过程序处理得到tg 的值, 我们知道, 当0°45°时, tg 的值为01, tg 值, 也就得到细分的角度值。8个区间, 每

9、一个区间细分32256份细分3. 2在2214位二进制码盘, 码盘的码道分为精码、中精码、粗码, 各条码道间应有正确的衔接关系, 才能保证编码器工作正常。由于码盘的刻划误差, 码盘的安装偏心,轴系的晃动以及其它因素的影响, 在码道的衔接中会出现误差,各条码道间有可能出现粗大误差, 造成编码器工作不正常。为了保证码道间的正确关系, 在每两条码道间都要进行校正, 采用的校正原理是奇偶判别法原则。3. 3数字量相加(1 数字量相加的原理数字量相加的基本原理是:分别将编码器的各个读数头的信号量化处理, 独立完成精码细分、码道校正、得到4组0°360°的角度值, 再将多个读数头的角度

10、相加平均得到最终的角度值。单片机将采集到的4个读数头的数据经过细分、译码、校正后得到4组完整的角度值, 再把它们分别相加后取平均获得精度较高的数据。(2 数字量相加和模拟量相加的区别在高精度的编码器中, 常采用多读数头平差的方法来提高仪器的精度, 例如采用4个读数头相加可以消除4n 次以外的周期误差。目前多个读数头合成方法一般采用模拟量相加。从理论上讲模拟量相加可以消除部分码盘的刻划误差、码盘安装偏心、轴系晃动、直流漂移、获得高质量的光栅信号, 处理电路简单。但是模拟量相加必须是各读数头信号同相等幅相加, 才能得到理想的效果, 当光栅刻划常数较小时, 光栅盘的安装偏心和环境温度变化造成信号相位

11、变化, 当变化达到一定量时, 模拟量相加就造成信号质量变坏。例如光栅常数=20m , 码盘安装偏心e =2m , 对径两个读数头同相信号的相位变化量为=×360°=144°这时两个读数头同相信号为U 1=A sin -2=A sin (-72° U 2=A sin +2=A sin (+72° 则有U 1+U 2= A sin (-72°+A sin (+72° 561999年4月刘丰文:高精度绝对式编码器的信号处理=2A sin co s72°=0. 6A sin 可以看出偏心引起信号幅值有较大波动, 这就带来较

12、大的插补细分误差, 当偏心达到一定量时就会造成编码器工作不正常。采用多个读数头数字量相加就可以很好解决上面的问题。数字量相加的各组角度值相对独立, 使合成的结果基本不受各读数头之间的相位变化的影响。各读数头信号之间就没有严格的相位要求, 得到较高质量的信号, 法, 使编码器的可靠性有较大的提高, 加无法达到的效果。25编码器相同的码盘, 信号处理采用4, 才得到较理想的结果, 最后仪器精度为=而在研制22位编码器中采用4个读数头数字量相加, 在半6套精度为=0. 5的军品级绝对式编码器。4误差分析编码器的误差主要可以归纳为码盘刻划误差、机械装调误差、电路细分误差。(1 码盘刻划误差122位绝对

13、式编码器采用的码盘在刻划中带来的误差经实测为2, 根据谐波分析采用4个读数头相加可以消除60%的刻划误差, 则1=2×(1-60 =0. 8(2 安装偏心及轴系晃动带来的误差2采用4个读数头相加基本上可以消除安装偏心和轴系晃动的影响, 考虑到偏心和晃动的随机性对莫尔条纹宽度变化的影响, 它带来的误差为2=0. 1(3 量化误差3量化误差也就是分辨率盲区误差, 22位编码器的分辨率为222, 即0. 309, 则3=0. 309(4 细分误差4细分误差主要与光栅信号质量有关, 它包括以下几个部分:信号的正交性41信号的正交是指光栅信号sin , co s 之间的相位和标准90度的差值,

14、 实际中相位差为2°, 则误差为41= 720=0. 22式中T =256细分份数; X =0. 309分辨率;稳定性带来的误差42稳定性指信号幅值波动值, 在实际中幅值波动为A =2%, 则误差为42=2=0. 25等幅性带来的误差43等幅性指参加细分的两路信号幅值不相等, 差值A =2%, 则误差为66光电工程第26卷第2期43=4=0. 13电路部分引起的误差44由于运算放大器的零点漂移、噪声以及A D 转换器的量化误差引起的细分误差预计为44=0. 1则总的细分误差为4=412+422+=0. 编码器的总精度为=+242=±0. 939图4误差曲线F ig . 4E rro r curve 23体和0. 122位绝对式编码器进行精度检测, 误差曲线如图4。实际测得的误差为 ±0. 9。结束语多个读数头数字相加用于绝对式编码器中, 使绝对式编码器向小型化、高精度、高可靠性方向发展成为现实