董 靜，萬(wàn)秋華，于 海，盧新然

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

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小型絕對(duì)式光電編碼器誤碼自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

董 靜1,2，萬(wàn)秋華1*，于 海1，盧新然1

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

在批量生產(chǎn)光電編碼器時(shí)，對(duì)光電編碼器是否存在誤碼進(jìn)行檢測(cè)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。現(xiàn)有的檢測(cè)方法采用二進(jìn)制燈排手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器用肉眼進(jìn)行觀測(cè)，存在手動(dòng)檢測(cè)慢、肉眼觀測(cè)誤差較大、檢測(cè)結(jié)果受轉(zhuǎn)動(dòng)速度影響等缺點(diǎn)。在大批量生產(chǎn)的光電編碼器，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行誤碼檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為解決編碼器生產(chǎn)及使用過(guò)程中對(duì)光電編碼器的自動(dòng)誤差檢測(cè)，本文設(shè)計(jì)了小型光電編碼器誤碼自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。首先，在參照大量光電編碼器生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了編碼器誤碼產(chǎn)生的主要原因；然后，提出了基于微分算法實(shí)現(xiàn)對(duì)光電編碼器是否存在誤碼進(jìn)行判斷的誤碼自動(dòng)檢測(cè)方法；最后，以FPGA為主控芯片，設(shè)計(jì)了小型光電編碼器自動(dòng)誤碼檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光電編碼器的高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與誤碼判斷，并將誤碼判斷結(jié)果通過(guò)LCD液晶顯示。同時(shí)，可以根據(jù)需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中作進(jìn)一步分析。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)表明：本文所設(shè)計(jì)的誤碼檢測(cè)系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)15位串/并口光電編碼器在高速和低速下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及誤碼判斷。系統(tǒng)可用于批量生產(chǎn)下光電編碼器的誤碼自動(dòng)檢測(cè)，減少了人工操作，提高了自動(dòng)化程度。系統(tǒng)具有智能便捷，移動(dòng)性強(qiáng)，適用于實(shí)驗(yàn)室及各種工作場(chǎng)合下的誤碼檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，檢測(cè)速度較以往檢測(cè)方法提高了3～5倍。

光電編碼器；誤碼；自動(dòng)檢測(cè)；FPGA

1 引 言

高分辨力光電軸角編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的精密數(shù)字測(cè)角裝置[1]。它以高精度計(jì)量圓光柵為測(cè)量元件，將空間角位移轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量與數(shù)字控制。其具有精度高、測(cè)量范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、科技、國(guó)防、航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2-3]。

隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，測(cè)控系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性越來(lái)越高，光電編碼器的任何微小故障和錯(cuò)碼，將對(duì)整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)造成嚴(yán)重打擊。各研究單位對(duì)光電編碼器輸出的準(zhǔn)確性提出更高的要求，編碼器在各種速度下的誤碼情況被生產(chǎn)者和用戶廣泛關(guān)注，如何快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)光電編碼器的誤碼檢測(cè)，特別是快速、準(zhǔn)確地完成大批量編碼器誤碼檢測(cè)，是業(yè)內(nèi)人士一直研究的課題。

傳統(tǒng)的光電編碼器誤碼檢測(cè)方法是將光電編碼器輸出端口接LED顯示燈排，通過(guò)觀測(cè)LED點(diǎn)亮的次序和位置判斷光電編碼器是否出現(xiàn)誤碼，該方法檢測(cè)速度慢，對(duì)檢測(cè)人員熟練程度要求較高，且僅靠人眼識(shí)別容易出現(xiàn)誤碼遺誤。在國(guó)外，日本、美國(guó)等研究了編碼器誤碼診斷技術(shù)[4-7]，但是他們研究的誤碼檢測(cè)技術(shù)主要是基于精度檢測(cè)，不是專門針對(duì)誤碼檢測(cè)的設(shè)備，且精度檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、移動(dòng)性差、僅限實(shí)驗(yàn)室使用，不能實(shí)現(xiàn)批量檢測(cè)，不能定位誤碼位置。在國(guó)內(nèi)，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研究了基于編碼器數(shù)據(jù)采集的誤碼檢測(cè)技術(shù)[8-9]，北京理工大學(xué)提出了基于全面統(tǒng)計(jì)的誤碼檢測(cè)方法[10]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析編碼器故障類型[11]，但這些檢測(cè)方法復(fù)雜冗長(zhǎng)、誤碼判斷實(shí)時(shí)性差，很難在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。綜上，目前市面上光電編碼器誤碼檢測(cè)設(shè)備鮮有見到。隨著越來(lái)越多的編碼器問(wèn)世和使用，一種能夠自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)批量光電編碼器誤碼判斷與定位的檢測(cè)系統(tǒng)十分急需。

針對(duì)于以上需求，本文開展了小型光電編碼器誤碼自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究。該誤碼檢測(cè)系統(tǒng)基于微分控制算法，采用FPGA為主控芯片，控制直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)被測(cè)編碼器按指定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)采集電路采集編碼器輸出數(shù)據(jù)，完成誤碼判斷，并將判斷結(jié)果送至液晶顯示。該系統(tǒng)具有自動(dòng)化、便捷化、快速化、準(zhǔn)確化、直觀化等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)小型光電編碼器誤碼的自動(dòng)檢測(cè)。

2 誤碼檢測(cè)方法研究

2.1 誤碼產(chǎn)生原因分析

編碼器產(chǎn)生誤碼的主要原因有外部干擾、元件老化、光柵刻劃誤差、碼盤狹縫污染、放大電路頻響偏移、校正失誤及安裝偏心等，參考實(shí)驗(yàn)室日常維修記錄，編碼器誤碼原因統(tǒng)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 光電編碼器誤碼原因統(tǒng)計(jì)圖 Fig.1 Statistical diagram of the reasons for errors of photoelectric encoder

(1)外部干擾

光電編碼器的外部干擾主要有振動(dòng)沖擊等因素，很容易對(duì)光電編碼器中的光學(xué)元件與電子元件產(chǎn)生影響，產(chǎn)生誤碼，影響光電編碼器的精度。

(2)元件老化

編碼器處于長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，各元件會(huì)發(fā)生損耗，元件各參數(shù)、性能將發(fā)生畸變。常見的元件老化故障有發(fā)光和接收二極管老化等，使得光源發(fā)出強(qiáng)度變化、照明光束不平行，光電接收元件性能(靈敏度和暗電流)不一致，導(dǎo)致所采集的光電莫爾條紋信號(hào)幅度、相位以及波形產(chǎn)生偏差，編碼器發(fā)生誤碼。

(3)光柵刻劃誤差

光柵在加工過(guò)程中，由于生產(chǎn)工藝的缺陷，透光部分的刻劃會(huì)出現(xiàn)偏差。圓光柵誤差包括最大直徑間隔誤差、封閉誤差、碼盤圈間位置誤差、均勻性誤差等[12]。其中前四項(xiàng)誤差直接影響光電信號(hào)相位，均勻性誤差影響信號(hào)的幅度、相位和波形形狀，這些都將導(dǎo)致錯(cuò)碼的產(chǎn)生[13]。

(4)碼盤狹縫污染

編碼器安裝的失誤和惡劣的工作環(huán)境有可能導(dǎo)致碼盤和狹縫出現(xiàn)污染，該污染將遮擋光路，使莫爾條紋信號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤，譯碼后導(dǎo)致誤碼。

(5)放大電路頻響偏移

放大器中電抗元件(電感和電容等)發(fā)生畸變，使得正弦波信號(hào)中頻率成分間的相位關(guān)系發(fā)生變化，使得電路輸出頻率響應(yīng)發(fā)生偏移，即幅度、相位都產(chǎn)生偏差，發(fā)生錯(cuò)碼。

(6)校正失誤

編碼器碼道信息中，一般認(rèn)為粗碼精度低于精碼精度，因此用精碼來(lái)校正粗碼，以獲得準(zhǔn)確的角度信息。當(dāng)精粗碼道之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系與理論設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在較大偏差時(shí)，且偏差大于可校正范圍時(shí)，編碼器就會(huì)產(chǎn)生誤碼。

(7)安裝偏心

碼盤和狹縫盤的安裝偏心影響光電信號(hào)的相位和幅度，也易造成碼盤碼道的圈間位置誤差，產(chǎn)生較大錯(cuò)碼。

經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn)：碼盤狹縫刻劃誤差、安裝偏心等原因產(chǎn)生較大偏差時(shí)，將造成編碼器粗精碼失于校正；碼盤狹縫污染、放大電路頻響偏移、外部干擾及元件老化等原因會(huì)對(duì)輸出的光電信號(hào)產(chǎn)生偏離。所以，雖然誤碼原因繁多，但其最主要原因是光電信號(hào)偏離和粗精碼道失于校正。

2.2 誤碼檢測(cè)算法研究

光電編碼器的輸出是一個(gè)n位的二進(jìn)制碼，當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器在單位時(shí)間內(nèi)的輸出角度增量值如式(1)所示。

式中，y(t)是當(dāng)前時(shí)刻編碼器輸出角度值，y(t-1)是前一時(shí)刻編碼器輸出角度值，g(t)是t時(shí)刻光電編碼器相對(duì)于前一時(shí)刻輸出角度增量值。同時(shí)，g(t)表示對(duì)角度值的一次微分，表示編碼器轉(zhuǎn)速。當(dāng)編碼器勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，工作正常的編碼器輸出的角度數(shù)據(jù)會(huì)連續(xù)遞增(或遞減)；如果編碼器出現(xiàn)誤碼時(shí)，則編碼器輸出的角度會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象。容易得到，當(dāng)編碼器輸出數(shù)據(jù)正確的情況下，如果編碼器勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算得到的編碼器轉(zhuǎn)速應(yīng)該為一固定值；當(dāng)編碼器輸出有誤碼情況下，編碼器的轉(zhuǎn)速不是一個(gè)固定值。

對(duì)g(t)進(jìn)一步做微分，得g(t)的變化率如式(2)所示:

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本誤碼檢測(cè)系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程自動(dòng)、快速、便捷。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，整體系統(tǒng)應(yīng)滿足以下3點(diǎn)要求：系統(tǒng)尺寸盡量小巧，便于移動(dòng)，適合各種場(chǎng)合下的誤碼檢測(cè)；檢測(cè)過(guò)程需簡(jiǎn)單、自動(dòng)、快速，滿足大批量編碼器的檢測(cè)；檢測(cè)結(jié)果直觀準(zhǔn)確，適合非專業(yè)人士使用?；谝陨弦蛩乜紤]，設(shè)計(jì)了以下誤碼檢測(cè)系統(tǒng)。

3.1 總體設(shè)計(jì)

小型絕對(duì)式光電編碼器誤碼檢測(cè)系統(tǒng)由被檢編碼器、支架、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、系統(tǒng)處理與顯示電路和計(jì)算機(jī)等組成，如圖2所示。

圖2 誤碼檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Fig.2 Structure diagram of fault code detection system

在數(shù)據(jù)采集處理電路的控制下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)被測(cè)編碼器勻速旋轉(zhuǎn)。處理電路采集被測(cè)編碼器輸出數(shù)據(jù)，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，判斷是否出現(xiàn)誤碼，判斷結(jié)果送至系統(tǒng)處理電路顯示，還可以根據(jù)需要將數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)中作進(jìn)一步分析、處理并顯示。

系統(tǒng)采用直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)被測(cè)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，直流無(wú)刷電機(jī)具有外形小巧、安裝便捷、響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬、低速力矩大、波動(dòng)小、運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，能帶動(dòng)被測(cè)編碼器快速、平穩(wěn)、可靠地轉(zhuǎn)動(dòng)，符合設(shè)計(jì)需要。

實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)采用立柱式開放結(jié)構(gòu)，其中基座呈圓桶型，基座內(nèi)部空間固定直流無(wú)刷電機(jī)，電機(jī)軸向上?；戏蒋B放支架，基座和支架用螺栓連接，支架上由定位環(huán)承載和固定光電編碼器，編碼器軸向下，與電機(jī)軸同軸相對(duì)?；c支架由螺栓剛性連接，定位環(huán)與支架通過(guò)沉頭螺栓連接，簡(jiǎn)潔美觀。初次組裝時(shí)，需固定好直流無(wú)刷電機(jī)、支架和定位環(huán)。電機(jī)軸和編碼器軸由彈性聯(lián)軸器相連，通過(guò)柔性聯(lián)軸器的連接方式可以補(bǔ)償編碼器旋轉(zhuǎn)中心與電機(jī)旋轉(zhuǎn)中心的相對(duì)位移，而且具有顯著的減震效果。如圖3所示是實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝配圖。

圖3 實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)裝配圖 Fig.3 Assembly diagram of experiment turntable system

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Xilinx公司的Spartan-III系列XC3S400 PQ208型FPGA芯片作為核心處理芯片。Spartan-III系列XC3S400型FPGA芯片采用90 nm工藝，工作速度可達(dá)到300 MHz，每個(gè)I/O數(shù)據(jù)傳輸率超過(guò)622 Mb/s。該芯片針對(duì)高密度集成而優(yōu)化，適合高度集成的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。16 mm×16 mm的小尺寸使其適用于小型化電路設(shè)計(jì)，具有設(shè)計(jì)修改靈活，I/O資源豐富，數(shù)據(jù)處理速度快，易于實(shí)現(xiàn)快速并行輸出等特點(diǎn)[14-15]。

光電軸角編碼器誤碼檢測(cè)系統(tǒng)的處理電路如圖4所示，由FPGA處理芯片、接口轉(zhuǎn)換電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液晶顯示電路、USB接口電路、按鍵接口及FLASH和E2PROM存儲(chǔ)器等組成。

圖4 系統(tǒng)處理電路框圖 Fig.4 Block diagram of processing circuit

系統(tǒng)以FPGA為主控芯片，F(xiàn)PGA控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，由電機(jī)帶動(dòng)被測(cè)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)。FPGA通過(guò)串口或并口采集編碼器數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，判斷是否出現(xiàn)誤碼。本誤碼檢測(cè)系統(tǒng)本身可以獨(dú)立工作，通過(guò)液晶顯示屏可以實(shí)時(shí)地顯示編碼器當(dāng)前的速度曲線及誤碼情況；通過(guò)鍵盤輸入接口可以進(jìn)行編碼器的型號(hào)以及參數(shù)的設(shè)置。FLASH存儲(chǔ)邏輯配置信息，用于進(jìn)行上電配置；E2PROM存儲(chǔ)按鍵信息。該檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有232串行接口，根據(jù)需要可以將編碼器數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行誤碼原因分析。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序的主要功能就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及采集編碼器的角度數(shù)據(jù)，對(duì)編碼器的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)算、顯示及與計(jì)算機(jī)通信。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖 Fig.5 Block diagram of system software

系統(tǒng)上電初始化完畢之后，等待檢測(cè)開始命令。開始檢測(cè)時(shí)，首先FPGA控制電機(jī)以指定速度帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，采集被檢編碼器角速度曲線，通過(guò)二進(jìn)制燈排顯示角度信息，通過(guò)計(jì)算判斷是否出現(xiàn)誤碼，并在液晶顯示屏上顯示出誤碼信息。此外，可以選擇將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析，檢測(cè)完畢后等待下一次轉(zhuǎn)換命令。FPGA軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

數(shù)據(jù)采集軟件模塊工作時(shí)，F(xiàn)PGA芯片根據(jù)光電編碼器數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議讀入編碼器輸出的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)為y(t-1)；然后FPGA內(nèi)部產(chǎn)生延遲計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)中延遲時(shí)間為t=5 ms；延遲結(jié)束后，再一次讀入光電編碼器數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)為y(t)；最后，將兩次數(shù)據(jù)做差，系統(tǒng)對(duì)編碼器數(shù)據(jù)的微分值做濾波處理、過(guò)零點(diǎn)消除等操作后傳輸?shù)揭壕辽巷@示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文研究的光電編碼器誤碼檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，使用所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某15位小型光電編碼器進(jìn)行檢測(cè)。該絕對(duì)式光電編碼器外形尺寸為Φ40 mm×60 mm×Φ6 mm，分辨力約為40″，靜態(tài)精度≤60″，工作溫度為-40～+55 ℃，并口輸出，數(shù)據(jù)間隔為0.125 ms。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求搭建出誤碼檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要有實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)、被檢編碼器、處理與顯示電路、FPGA仿真器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源、計(jì)算機(jī)等組成，如圖6所示。

圖6 編碼器誤碼檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) Fig.6 Detection system of fault code for photoelectric encoder

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1.1 對(duì)工作正常編碼器進(jìn)行驗(yàn)證

工作正常的編碼器，其接口輸出正確的二進(jìn)制角度值(均勻遞增或遞減的角度值)，將采集到的二進(jìn)制數(shù)值在FPGA中進(jìn)行微分運(yùn)算，得到平穩(wěn)的角速度值。LED液晶上顯示的柱狀圖高度即為角速度值的大小，柱狀圖的正負(fù)表明編碼器處于正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài)。圖7為編碼器正轉(zhuǎn)無(wú)誤碼情況下的速度曲線圖。

圖7 工作正常編碼器無(wú)誤碼下的速度曲線圖 Fig.7 Diagram of velocity curve for good-working photoelectric encoder

4.1.2 對(duì)故障的編碼器進(jìn)行驗(yàn)證

對(duì)于有故障的編碼器，其輸出的角度值會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)、有脈沖跳變的狀況。

當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)有故障的編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)，液晶屏上顯示的誤碼檢測(cè)微分曲線會(huì)出現(xiàn)突變，曲線出現(xiàn)一處尖銳的正負(fù)凸起，如圖8所示。通過(guò)觀測(cè)誤碼曲線可以輕易地判斷出光電編碼器在該轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)誤碼。

圖8 對(duì)故障編碼器進(jìn)行的誤碼檢測(cè) Fig.8 Diagram of velocity curve for faulty photoelectric encoder

4.1.3 不同故障類型的誤碼檢測(cè)

(1)碼盤污染下的誤碼檢測(cè)

碼盤污染是常見的編碼器故障類型。實(shí)驗(yàn)對(duì)被檢編碼器的碼盤設(shè)置部分碼道遮擋，采用所設(shè)計(jì)的誤碼檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，得到速度曲線如圖9所示。圖9中，速度曲線在特定位置出現(xiàn)大的跳變，并且隨著采樣的繼續(xù)，該跳變周期性出現(xiàn)。

圖9 碼盤污染時(shí)的誤碼檢測(cè)結(jié)果 Fig.9 Diagram of fault code detection for faulty photoelectric encoder with polluted code disc

(2)安裝偏心下的誤碼檢測(cè)

安裝偏心是指在安裝時(shí)編碼器的碼盤與主軸不同心。在勻速旋轉(zhuǎn)下，安裝偏心造成輸出角度值之差呈現(xiàn)出近似正弦的周期變化。對(duì)安裝偏心的編碼器進(jìn)行誤碼檢測(cè)，其速度曲線圖如圖10所示。

圖10 安裝偏心下的誤碼檢測(cè)結(jié)果 Fig.10 Diagram of fault code detection for faulty photoelectric encoder with code disc eccentricity

(3)角度代碼不同位發(fā)生故障的誤碼檢測(cè)

圖11 第10位發(fā)生誤碼的速度曲線 Fig.11 Diagram of velocity curve for faulty photoelectric encoder with malfunction of the 10th bit

被檢編碼器的15位角度代碼中，不同位發(fā)生誤碼，其速度曲線特征都不盡相同。實(shí)驗(yàn)采集了當(dāng)不同位發(fā)生誤碼時(shí)的速度曲線，圖11和圖12是設(shè)置第10位發(fā)生誤碼和第5位發(fā)生誤碼時(shí)，檢測(cè)得到的誤碼速度曲線。觀察圖11和圖12可得，第10位發(fā)生誤碼時(shí)，液晶顯示上的速度曲線圖跳變密集而快速；第5位發(fā)生誤碼時(shí)，液晶屏上的速度曲線跳變減小很多。由此可以得出，速度曲線跳變程度隨編碼器誤碼發(fā)生的位數(shù)序號(hào)降低而降低。

圖12 第5位發(fā)生誤碼的速度曲線 Fig.12 Diagram of velocity curve for faulty photoelectric encoder with malfunction of the 5th bit

4.2 誤碼位置判斷及分析

被檢編碼器的位數(shù)為15位，其編碼信息是由8位粗碼、7位精碼組成，當(dāng)液晶屏上編碼器轉(zhuǎn)速曲線的誤碼變化在精碼的分辨率個(gè)數(shù)27=128以內(nèi)時(shí)，則能夠判斷誤碼位置在精碼處；當(dāng)液晶上編碼器轉(zhuǎn)速曲線的誤碼變化在精碼的分辨率個(gè)數(shù)128以上時(shí)，能夠判斷誤碼位置在粗碼處。

圖13為編碼器發(fā)生誤碼的速度曲線圖。圖13(a)中，液晶屏上顯示編碼器角速度柱狀圖主體高為8個(gè)單位，液晶的比例尺系數(shù)為4，則可以得出編碼器以角速度為32個(gè)角度值旋轉(zhuǎn)。圖中液晶屏右側(cè)產(chǎn)生一個(gè)高度為-25的負(fù)跳變，液晶的比例尺系數(shù)為4，即產(chǎn)生一個(gè)大小為-100的角速度值?？梢缘贸?，在編碼器誤碼處，編碼器速度變化值為132，大于精碼分辨率個(gè)數(shù)，則可以判斷，誤碼位置發(fā)生在粗碼位置。圖13(b)中，液晶屏上顯示編碼器角速度柱狀圖主體高為7個(gè)單位，則編碼器以角速度為28個(gè)角度值旋轉(zhuǎn)。圖中液晶屏右側(cè)產(chǎn)生一個(gè)高度為-3的負(fù)跳變，即產(chǎn)生一個(gè)大小為-12的角速度值?？梢缘贸觯诰幋a器誤碼處，編碼器速度變化值為40，小于精碼分辨率個(gè)數(shù)，則可以判斷，誤碼位置發(fā)生在精碼位置。

圖13 編碼器發(fā)生誤碼速度曲線圖 Fig.13 Diagram of velocity curve of faulty photoelectric encoder

4.3 系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證及分析

為了驗(yàn)證本誤碼檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和檢測(cè)結(jié)果的可信度，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：分別對(duì)15臺(tái)故障

表1 3種轉(zhuǎn)速下15臺(tái)故障編碼器的誤檢率

編碼器和15臺(tái)工作正常的編碼器，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為80°/s、8 t/s和10 r/s下各做3組誤碼檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，記錄各編碼器的誤碼情況，并計(jì)算誤檢率，檢測(cè)結(jié)果如表1和表2所示。

表2 3種轉(zhuǎn)速下15臺(tái)工作正常編碼器的誤檢率

由表1和表2可以得到：15臺(tái)故障編碼器在有效轉(zhuǎn)速范圍(電機(jī)轉(zhuǎn)速為v=8°/s、v=8 r/s和v=10 r/s)內(nèi)的6組誤碼檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的誤檢率均為0%；15臺(tái)工作正常編碼器在有效轉(zhuǎn)速范圍(電機(jī)轉(zhuǎn)速為v=8°/s、v=8 r/s和v=10 r/s)內(nèi)的6組誤碼檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的誤檢率均為0%。

分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：在規(guī)定的有效檢測(cè)轉(zhuǎn)速范圍(80°/s,10 r/s)內(nèi)，本誤碼檢測(cè)系統(tǒng)的誤檢率為0%，由于編碼器工作最高轉(zhuǎn)速為8 r/s，因此本系統(tǒng)在0～8 r/s的工作轉(zhuǎn)速下誤檢率為0%，誤碼檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果有效可靠。

5 結(jié) 論

本文研究并設(shè)計(jì)了一套小型光電編碼器誤碼自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其以Spartan-III系列XC3S400型FPGA作為核心處理芯片，完成編碼器數(shù)據(jù)高速采集、誤碼快速判斷與結(jié)果直觀顯示。該系統(tǒng)基于微分控制算法，以直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)被檢編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)編碼器誤碼自動(dòng)檢測(cè)；檢測(cè)人員由原來(lái)的2到3人減少到1人，檢測(cè)時(shí)間也由原來(lái)的3到5 min減小到1 min，檢測(cè)速度提高3到5倍，有效提高了檢測(cè)效率，滿足批量生產(chǎn)的檢測(cè)要求；系統(tǒng)能夠完成(80°/s,8 r/s)速度內(nèi)的誤碼檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)誤碼檢測(cè)，并在(80°/s,8 r/s)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)誤檢率為0%，檢測(cè)結(jié)果可信有效；系統(tǒng)智能便捷，自動(dòng)化程度高，適合非專業(yè)人士進(jìn)行編碼器誤碼判斷；系統(tǒng)可移動(dòng)性強(qiáng)，適用于實(shí)驗(yàn)室及各種工作場(chǎng)合下的誤碼檢測(cè)。

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Automatic detection system of fault code for small size absolute photoelectric encoder

DONG Jing1, 2, WAN Qiu-hua1*, YU Hai1，LU Xin-ran1

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Error detection is an important procedure during large quantity production of photoelectric encoder. At present, such error is mostly detected manually by judging sequences from binary LED arrays. This method is of low efficiency and extra error due to manual work, especially when large quantity is concerned. Given the defects of current methods, an auto-detection system for photoelectric encoder is designed in this paper. Firstly, the main reasons for the error are analyzed, and then an auto-detection method is proposed by adopting differential after referring to present works method. Lastly, an auto-detection system is established, utilizing a FPGA control chip. The system is capable of swift data acquisition and procession and its outcomes can be transported to a computer or displayed on a LCD. Experimental results show that the system is suitable for 15 bit series or parallel interface in different speeds. The system is intelligent, swift, portable and suitable for laboratory and other work situations, and the detection efficiency has been improved by 3-5 times.

photoelectric encoder;fault code;automatic detection;FPGA

2016-06-15；

2016-07-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(N0.51605465) Supported by National Natural Science Foundation of China(No.51605465)

2095-1531(2016)06-0695-09

TP212

A

10.3788/CO.20160906.0695

董 靜(1990—)，女，安徽合肥人，碩士研究生，2013年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光電位移精密測(cè)量及光電編碼器的檢測(cè)等方面的研究。E-mail:djwuyou@163.com

萬(wàn)秋華(1962—)，女，吉林長(zhǎng)春人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事光電位移精密測(cè)量技術(shù)及高精度光電軸角編碼器等方面的研究。E-mail:wanqh@ciomp.ac.cn

*Correspondingauthor,E-mail:wanqh@ciomp.ac.cn