徐桂成

摘要：光電軸角編碼器也叫做光電角位置傳感器，它集光、機(jī)、電為一體，它是以高精度圓光柵為檢測(cè)元件，通過(guò)碼盤(pán)把機(jī)械圓周角度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)差分放大、整形濾波、校正、細(xì)分、譯碼等處理后和計(jì)算機(jī)相連可實(shí)現(xiàn)輸出精密角度值以及做伺服控制，它具有分辨率高、測(cè)量范圍廣、使用可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、數(shù)控機(jī)床、指揮儀和高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，軍工、國(guó)防等領(lǐng)域?qū)ξ⑿蛡鞲衅鞯男枨笤絹?lái)越急迫，要求編碼器向高精度、高分辨率、小型化和智能化發(fā)展。同時(shí)隨著科技的發(fā)展，尤其是空間科學(xué)自動(dòng)化和國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域?qū)幋a器的分辨率和精度提出了更高的要求。因此，研制高精度、高分辨率的編碼器是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一步。

關(guān)鍵詞：光電編碼器；經(jīng)度；偏心

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）08-0049-03

1碼盤(pán)裝調(diào)偏心量對(duì)精度的影響

光電軸角編碼器主軸的幌動(dòng)和光柵碼盤(pán)軸心與主軸系間的偏心都將引起測(cè)量誤差，因此，采取措施盡量使碼盤(pán)軸心與主軸軸心一致，是完成高精度編碼器調(diào)試的必要條件。調(diào)整軸向跳動(dòng)和偏心量是碼盤(pán)裝調(diào)主要步驟，啟動(dòng)摩擦力矩和高速旋轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等也是碼盤(pán)裝調(diào)的主要程序。接下來(lái)只對(duì)碼盤(pán)偏心量加以研究，并提出一種用光電信號(hào)調(diào)整碼盤(pán)偏心量的方法，用光電信號(hào)調(diào)整碼盤(pán)偏心的成功應(yīng)用為高精度編碼器碼盤(pán)的調(diào)試成型奠定了基礎(chǔ)。

碼盤(pán)偏心量是指碼盤(pán)軸心與支承主軸旋轉(zhuǎn)中心的差值。該差值量直接影響精粗碼道之間的相位關(guān)系，同時(shí)該偏心量對(duì)讀數(shù)也有顯著影響，如圖1所示：

（3）式與（2）式結(jié)果相同，因此采用對(duì)經(jīng)讀數(shù)方式，不管碼盤(pán)偏心量如何，不影響讀數(shù)。因此，偏心不限制對(duì)徑讀數(shù)。但是光柵碼盤(pán)軸心與主軸系間的偏心對(duì)粗碼計(jì)圈數(shù)間的關(guān)系影響無(wú)法消除，不能補(bǔ)償圈間關(guān)系，因?yàn)楠M縫本身的圈間關(guān)系是一個(gè)定值，不隨碼盤(pán)的圈間相位變化容易導(dǎo)致錯(cuò)碼。在高精度的編碼器中在對(duì)徑方向放置兩個(gè)接收裝置，但電路會(huì)增加，由此盡量通過(guò)精確裝調(diào)減小安裝偏心來(lái)消除誤差。

采用光電信號(hào)調(diào)偏心既解決了傳統(tǒng)采用顯微鏡調(diào)偏心方法的局限性，又提高了偏心調(diào)整的準(zhǔn)確性，同時(shí)減少了工作量，解決了實(shí)際工作中許多特定條件下無(wú)法安裝顯微鏡進(jìn)行裝調(diào)的局限。

傳統(tǒng)的顯微鏡調(diào)偏心方法首先用單個(gè)顯微鏡進(jìn)行粗調(diào)，之后在對(duì)徑180度放兩個(gè)顯微鏡進(jìn)行精調(diào)。把顯微鏡A作為調(diào)整基準(zhǔn)，A瞄準(zhǔn)光柵碼盤(pán)上的任一條線(xiàn)b，如圖2所示；同時(shí)用顯微鏡B用來(lái)測(cè)量大小，B瞄準(zhǔn)對(duì)徑另一條線(xiàn)a。這時(shí)記下顯微鏡B的讀數(shù)h1，之后旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)180°，讓顯微鏡A瞄準(zhǔn)線(xiàn)條a，再讀取顯微鏡B的數(shù)值h2，那么偏心量為|h1-h2|。根據(jù)顯微鏡B的讀數(shù)與方向，通過(guò)顯微鏡B觀(guān)察，往顯微鏡A，B的垂直方向調(diào)整碼盤(pán)，大小為|h1-h2|，通過(guò)多次調(diào)整，使O和O重合，調(diào)整后，將碼盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)90°，再重復(fù)同上調(diào)整。經(jīng)過(guò)這兩個(gè)互相垂直方向偏心的調(diào)整后，偏心還存在，其實(shí)最大偏心不一定在這兩個(gè)方向上，然而為了更準(zhǔn)確調(diào)整偏心，還應(yīng)該在更多的角度上進(jìn)行調(diào)試。同時(shí)，用這種方法在實(shí)際應(yīng)用中我們很難在顯微鏡視野范圍內(nèi)準(zhǔn)確地找到兩條對(duì)徑放置的線(xiàn)條，偶爾錯(cuò)碼道調(diào)試，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)將碼盤(pán)偏心調(diào)致最佳，從而影響編碼器讀數(shù)。

由此我們不難發(fā)現(xiàn)這種調(diào)試偏心方法有很多缺陷。接下來(lái)介紹的電信號(hào)調(diào)偏心方法解決了以上問(wèn)題。

在編碼器精碼對(duì)徑位置上放置兩個(gè)接收管，通過(guò)電信號(hào)讀出兩個(gè)最外圈精碼信號(hào)。先看其中一的信號(hào)輸出情況，因?yàn)橛衅拇嬖冢覀冊(cè)谑静ㄆ黠@示的圖像中會(huì)發(fā)現(xiàn)其信號(hào)幅值時(shí)大時(shí)小，上下串動(dòng)。我們標(biāo)記其幅值的最大值Hmax和最小值Hmin，在對(duì)徑Hmax與Hmin方向上進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整量Δh=（Hmax-Hmin）/2。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，使信號(hào)幅值基本不變。在傳統(tǒng)調(diào)試中這一步就是單鏡粗調(diào)過(guò)程。完成上述過(guò)程后，接下來(lái)我們進(jìn)行精調(diào)，在對(duì)徑放置的另一個(gè)接收管讀取最外圈精碼信號(hào)，用示波器X-Y檔觀(guān)察兩者的差動(dòng)，碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)起來(lái)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)長(zhǎng)短變化，如圖4所示。

這一變化所反映的相位變化量為偏心量的2倍即2e，這時(shí)把碼盤(pán)沿兩接收管連線(xiàn)的垂直方向上調(diào)整，調(diào)整量為兩個(gè)極值點(diǎn)變化量的一半。在調(diào)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)差動(dòng)圖像翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這時(shí)可耐心觀(guān)測(cè)其翻轉(zhuǎn)變化規(guī)律。當(dāng)偏心量是精碼周期四分之一時(shí)，差動(dòng)圖就翻轉(zhuǎn)一個(gè)圓；當(dāng)偏心量是精碼周期二分之一時(shí)，差動(dòng)圖就翻轉(zhuǎn)二個(gè)圓；當(dāng)偏心量是精碼周期四分之三時(shí)，差動(dòng)圖就翻轉(zhuǎn)三個(gè)圓；當(dāng)偏心量為精碼周期時(shí)，差動(dòng)圖就翻轉(zhuǎn)四個(gè)圓；當(dāng)差動(dòng)圖翻轉(zhuǎn)好幾個(gè)圓時(shí)，這個(gè)時(shí)候通過(guò)示波器觀(guān)察兩個(gè)極值變換點(diǎn)，也就是同相相位往反相相位變化時(shí)候或者反相相位往同相相位變化時(shí)，這兩個(gè)個(gè)時(shí)刻就是極值點(diǎn)此時(shí)把碼盤(pán)沿兩接收管連線(xiàn)的垂直方向碼盤(pán)方向調(diào)整，調(diào)整量為變化量的一半。如果差動(dòng)圖形翻轉(zhuǎn)8個(gè)圓，此時(shí)偏心量為精碼二個(gè)整周期，這時(shí)觀(guān)察示波器顯示的差動(dòng)圖像敲回4個(gè)圓，依此類(lèi)推調(diào)整到差動(dòng)圖相位關(guān)系不變?yōu)橹?。此時(shí)偏心已經(jīng)調(diào)成。此過(guò)程這相當(dāng)于傳統(tǒng)的雙鏡調(diào)偏心過(guò)程。

這個(gè)方法改變了傳統(tǒng)的用兩臺(tái)顯微鏡在對(duì)徑180度敲偏心方法，提高了偏心調(diào)試的準(zhǔn)確性，也節(jié)省了時(shí)間同時(shí)又降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。該方法能準(zhǔn)確、快速完成光電軸角編碼器碼盤(pán)調(diào)試，既節(jié)省了時(shí)間同時(shí)提高調(diào)試精度。目前該方法在編碼器碼盤(pán)偏心調(diào)試中已得到廣泛應(yīng)用，也提高了工作效率。也解決了傳統(tǒng)顯微鏡調(diào)試碼盤(pán)時(shí)出現(xiàn)特定情況無(wú)法安裝顯微鏡的難題。因此光電信號(hào)調(diào)試碼盤(pán)偏心的方法既提高了編碼器的精度也提高了調(diào)試當(dāng)中環(huán)境適應(yīng)性。

2電路設(shè)計(jì)對(duì)精度影響

編碼器系統(tǒng)電路包括：光電信號(hào)整理電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA數(shù)據(jù)處理電路、接口電路、控制軟件、電源等。

1）光電編碼器粗碼光電信號(hào)采集系統(tǒng)由發(fā)光裝置、光電接收裝置、差分放大器等組成。光源發(fā)出的紅外光線(xiàn)經(jīng)過(guò)狹縫，由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的碼盤(pán)，經(jīng)過(guò)碼盤(pán)上的碼道也就是明暗相間的條紋后照射到光電接收裝置上，接收管會(huì)形成有規(guī)律的電信號(hào)。光電接收裝置由二極管，三極管組成，有5V偏壓供電當(dāng)光敏二極管接收到紅外光線(xiàn)照射會(huì)產(chǎn)生微弱的光電流由三極管放大并由發(fā)射極輸出，通過(guò)采樣電阻采集信號(hào)將光電流轉(zhuǎn)變成較好的模擬電壓信號(hào)，這時(shí)候經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換變成的微弱電壓信號(hào)，不能夠滿(mǎn)足后續(xù)電路處理的需要，必須對(duì)微弱的原始電壓信號(hào)進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)比較器使其輸出方波信號(hào)，送入中央處理芯片進(jìn)行粗碼查表譯碼。此過(guò)程是將物理量機(jī)械角度信息轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字代碼的中間媒介，是完成物理，光，電信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。同樣也是高質(zhì)量莫爾條紋信號(hào)形成的重要組成部分。為接下來(lái)的細(xì)分，精碼信號(hào)處理打下基礎(chǔ)。

2）光電編碼器精碼光電信號(hào)采集系統(tǒng)也由發(fā)光裝置、光電接收裝置、差分放大器等組成。與粗碼光電信號(hào)采集系統(tǒng)不同的是，精碼狹縫盤(pán)有四個(gè)窗口，呈田字形排列，接收管接收到的是四路相位相差90度的莫爾條紋信號(hào)。也就是有規(guī)律的正弦波。由于碼盤(pán)精碼碼道一周要刻上千對(duì)亮暗相間的條紋導(dǎo)致光柵線(xiàn)節(jié)距較小，光電接收管同粗碼光電信號(hào)采集系統(tǒng)一樣會(huì)產(chǎn)生微弱的光電流，并由光電接收裝置中的三極管發(fā)射極輸出，同時(shí)信號(hào)中有較大的直流電平分量和高次諧波分量，必須很好地處理這些雜質(zhì)才能提高編碼器的精度，采用對(duì)精碼信號(hào)進(jìn)行差分放大的方法處理這些信號(hào)，一是可以消除直流電平分量，二是濾去信號(hào)中的偶次諧波分量，從而得到高質(zhì)量的莫爾條紋信號(hào)。將三極管發(fā)射極輸出的四路信號(hào)中的0度與180度兩路莫爾條紋信號(hào)通過(guò)電位計(jì)采集信號(hào)將光電流轉(zhuǎn)變成較好的模擬電壓信號(hào)，同理也對(duì)90度和270度這樣處理然后送入差分放大器進(jìn)行差分放大。這樣我們就會(huì)得到兩路高質(zhì)量的信號(hào)。同理四路校正碼道光電信號(hào)也要進(jìn)行同樣的采集與處理。然后將這些高質(zhì)量的信號(hào)進(jìn)一步輸入到以FPGA為核心的信號(hào)處理電路；FPGA在工作時(shí)主要實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制、對(duì)粗碼查表并譯碼、精碼細(xì)分、精粗碼間的校正及數(shù)據(jù)并行輸出。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如下圖3。

電路部分影響測(cè)量精度的主要因素有細(xì)分誤差和量化誤差。細(xì)分誤差又由直流分量誤差、幅值誤差和正交相位誤差組成。

1）直流分量誤差：