姜鐵征，萬秋華，于 海，趙長海，賈興丹

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

光電編碼器是一種集光、機(jī)、電于一體的高分辨力角位移傳感器，以光電轉(zhuǎn)換技術(shù)為核心，輸出與角位置信息相對的數(shù)字脈沖來實(shí)現(xiàn)角位移的測量[1-2]。廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)控制等領(lǐng)域。光電編碼器主要可分為增量式和絕對式2種[3]。絕對式編碼器的每一個角度位置對應(yīng)唯一的數(shù)字碼，不存在調(diào)零誤差[4]，具有體積小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

精度檢測是光電編碼器研制和生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，任何生產(chǎn)編碼器的單位都要有相應(yīng)的精度檢測裝置，而精度檢測又分為靜態(tài)精度和動態(tài)精度檢測[5]?，F(xiàn)有的精度檢測系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、操作難度高等缺點(diǎn)。為了改善上述檢測裝置的不足，本文設(shè)計(jì)了以永磁同步電機(jī)和FPGA高速數(shù)據(jù)采集卡為核心的小型絕對式光電編碼器精度自動檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)編碼器動、靜態(tài)精度的自動檢測，具有體積小，測量精度高，易操作等優(yōu)點(diǎn)。

1 光電編碼器精度檢測方法

1.1 動態(tài)精度檢測方法

當(dāng)使用光電編碼器進(jìn)行動態(tài)角度測量時，由于軸系晃動和碼盤偏心等不良因素的影響，會導(dǎo)致莫爾條紋信號質(zhì)量變差，使編碼器輸出的角度值偏離真實(shí)值，產(chǎn)生動態(tài)誤差[6-7]。為了不遺漏每個分辨力下的動態(tài)誤差，本系統(tǒng)采用全面統(tǒng)計(jì)動態(tài)誤差檢測法。對于待檢的n位小型絕對式光電編碼器，每旋轉(zhuǎn)一周，輸出2n個數(shù)據(jù)。以基準(zhǔn)的21位絕對式編碼器輸出的角度作為真實(shí)值，由于光電編碼器的動態(tài)誤差符合正態(tài)分布的規(guī)律，因此采用貝塞爾公式計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為編碼器動態(tài)精度的衡量[5]：

(1)

式中：σ為動態(tài)精度；xi為基準(zhǔn)角度數(shù)據(jù)；yi為被檢編碼器角度值；m為n位編碼器旋轉(zhuǎn)一周輸出的角度數(shù)據(jù)個數(shù)；m=2n。

1.2 靜態(tài)精度檢測方法

光電編碼器靜止在特定位置時輸出的角度數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)角度源的真實(shí)數(shù)據(jù)的差值稱為靜態(tài)誤差。實(shí)際進(jìn)行靜態(tài)精度檢測時，待檢的位置為30°的整數(shù)倍，即待檢的角度位置為

z=30k

(2)

式中k=0,1,2，…，11。

光電編碼器每旋轉(zhuǎn)一周，需要檢測12個角度數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的檢測方法有多面棱體檢測法和手動檢測法。多面棱體檢測的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對周圍環(huán)境的要求很高。手動檢測法會因?yàn)槿耸侄秳雍妥x數(shù)不準(zhǔn)確對結(jié)果造成影響。本系統(tǒng)采用類手動檢測的原理，通過對電機(jī)高精度的位置控制，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)精度檢測的自動化。

2 檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 精度自動檢測系統(tǒng)的構(gòu)建

該系統(tǒng)主要由永磁同步電機(jī)、MR-40伺服放大器、STM32F4運(yùn)動控制板、FPGA數(shù)據(jù)采集板、基準(zhǔn)21位絕對式光電編碼器、上位機(jī)、固定支架等組成。電機(jī)內(nèi)嵌于空心軸基準(zhǔn)編碼器中，二者通過固定螺絲連接，被檢編碼器通過彈性聯(lián)軸節(jié)與電機(jī)連接?？刂齐姍C(jī)運(yùn)動時，電機(jī)、基準(zhǔn)編碼器與被檢編碼器三者同軸同步旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動檢測系統(tǒng)原理圖

檢測系統(tǒng)主要由電機(jī)驅(qū)動和數(shù)據(jù)采集2部分組成。檢測時，由控制器發(fā)出速度或位置指令，通過放大器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，帶動基準(zhǔn)編碼器與被檢編碼器同軸勻速旋轉(zhuǎn)，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時采集二者輸出的角度信息，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。由VC++編寫的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示、動態(tài)精度和靜態(tài)精度的計(jì)算。

2.2 檢測轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)

動、靜態(tài)精度檢測對轉(zhuǎn)臺的穩(wěn)定性和抗干擾性都有很高的要求，系統(tǒng)選用HG-KN系列的高精度永磁同步伺服電機(jī)，該電機(jī)內(nèi)置10″分辨力的增量式光電編碼器，額定轉(zhuǎn)速為3×103r/min，最大輸出轉(zhuǎn)矩為3.8 N·m ，采用正弦波驅(qū)動的方式。穩(wěn)定性好、功率密度高、調(diào)速范圍寬，滿足精度自動檢測系統(tǒng)的要求。

電機(jī)的驅(qū)動選擇通用AC伺服放大器MR-JE-40A。放大器硬件電路包括智能功率模塊(IPM)、MGA031專用集成芯片、通信電路等。過流、過壓、過熱等保護(hù)電路的設(shè)計(jì)提高了轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)的安全可靠性。通過USB與安裝MR Configurator2的計(jì)算機(jī)連接，可實(shí)現(xiàn)自動調(diào)諧、運(yùn)動規(guī)劃、實(shí)時監(jiān)控等功能。

運(yùn)動控制器電路以STM32F4芯片為核心設(shè)計(jì)，該芯片主頻為168 MHz，2個16位的高級定時器TIM1和TIM8，可軟件設(shè)置為編碼器接口模式，也可實(shí)現(xiàn)PWM波的輸出。運(yùn)動控制器與放大器的連接通過50針的SCSI接口，STM32F4通過該接口發(fā)送模擬速度指令、位置控制指令給放大器，并通過24 V直流電源給伺服放大器供電。實(shí)際使用時，運(yùn)動控制器與放大器必須共地連接。電機(jī)編碼器的反饋脈沖也通過SCSI接口傳輸?shù)絊TM32F4控制器中，進(jìn)行位置閉環(huán)控制，檢測轉(zhuǎn)臺的原理框圖如圖2所示。

圖2 檢測轉(zhuǎn)臺原理框圖

動態(tài)精度檢測時，要求電機(jī)在200～500 r/min的速度范圍內(nèi)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。采用模擬速度指令控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)定放大器參數(shù)PC12為2 000，即模擬速度指令最大速度為2×103r/min,對應(yīng)的模擬電壓為10 V， 這里的電壓正負(fù)值代表的是電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。STM32F4運(yùn)動控制器通過SCSI中的CN-2和CN-28輸入可調(diào)單值電壓，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的同比例控制。系統(tǒng)使用STM32F4自帶的DA模塊，目的是提高模擬速度指令的精度。STM32F4有2路12位的DAC,使用其中的一路即可。采用HAL庫函數(shù)編程方法實(shí)現(xiàn)DAC轉(zhuǎn)換輸出可調(diào)電壓。實(shí)際測試電機(jī)穩(wěn)速精度時，最大穩(wěn)速波動不超過8×10-3r/s，滿足光電編碼器動態(tài)精度檢測的要求。HAL庫函數(shù)編程流程如下：

(1)初始化DAC和所對應(yīng)的引腳的輸出模式配置；

(2)使能DAC外設(shè)時鐘和系統(tǒng)時鐘；

(3)啟動DAC模塊，輸出可調(diào)的模擬電壓。

靜態(tài)精度檢測時要對電機(jī)進(jìn)行位置控制，使電機(jī)定位間隔為30°，到達(dá)位置后短暫停留，保證基準(zhǔn)編碼器和被檢編碼器處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。設(shè)置放大器參數(shù)PA13為X300，指令脈沖串在200 kpulse/s以下，以正邏輯方式輸入。STM32F4運(yùn)動控制器通過50針SCSI中的CN-10和CN-35 2個引腳輸入指令脈沖串，放大器實(shí)時接收脈沖串，檢測到脈沖上升沿后轉(zhuǎn)過1011的角度，為使電機(jī)每次轉(zhuǎn)過，需輸入10 800個脈沖串，脈沖的占空比為50%，周期大于10 μs。STM32的高級定時器TIM1有PWM輸出模式，配置好相關(guān)寄存器參數(shù)后即可啟動輸出滿足要求的方波。對指令脈沖串和電機(jī)編碼器反饋脈沖串個數(shù)比較，可得到最大定位誤差為±30″，滿足靜態(tài)精度檢測的要求。

2.3 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡的作用是實(shí)時采集基準(zhǔn)編碼器和被檢編碼器輸出的角度數(shù)據(jù)，通過USB傳到上位機(jī)中，由上位機(jī)軟件完成誤差的計(jì)算與顯示。采樣頻率與每個檢測周期采集的數(shù)據(jù)量是采集卡設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。

對于16位以下的小型絕對式光電編碼器，隨電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)時，輸出數(shù)據(jù)變化頻率的最大值為

fmax=2n·v

(3)

式中：n為編碼器位數(shù)；v為電機(jī)的速度。

分別將兩者可取的最大值，n=15，v=500 r/min代入到式(3)中，可得：

fmax=215×500/60≈0.273 MHz

(4)

由奈奎斯特采樣定理可知，系統(tǒng)采樣頻率必須大于原始信號頻率2倍以上，采樣后的信號才能復(fù)現(xiàn)原始信號中的信息。因此，本系統(tǒng)選擇采樣頻率為40 MHz ，可保證不遺漏每個輸出的角度信息。

采用全分辨率檢測方法時，對于n位的被檢編碼器，一個檢測周期需要采集次數(shù)為2n，而要同時采集被檢編碼器和角度基準(zhǔn)源的輸出數(shù)據(jù)。則一個周期需要采集的數(shù)據(jù)量為

B=2n·(n+nbase)

(5)

式中nbase為角度基準(zhǔn)源的數(shù)據(jù)。

取n=15，nbase=21代入到式(5)中，可得：

B=215(15+21)=1.152Mbit

(6)

綜合上述2個指標(biāo)和其他因素后，本數(shù)據(jù)采集卡選擇FPGA的XC3S400作為主控芯片。該芯片的最高工作頻率可達(dá)300 MHz,每個I/O口的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到622 Mbit/s，設(shè)計(jì)靈活，處理速度快，可很好地完成編碼器動、靜態(tài)輸出數(shù)據(jù)的采集工作。USB芯片選擇CY7C68013，F(xiàn)LASH芯片選擇W25Q128，該芯片容量為16 Mbit，用來存儲采集到的數(shù)據(jù)。動、靜態(tài)精度檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將角度數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)中，使用VC++編寫了上位機(jī)軟件，軟件可對編碼器動、靜態(tài)誤差進(jìn)行計(jì)算，并將檢測結(jié)果在坐標(biāo)上顯示出來，也可將數(shù)據(jù)輸出到EXECL表格中，將結(jié)果打印，實(shí)現(xiàn)了很好的人機(jī)交互。軟件可完成的任務(wù)與功能如圖4所示。

圖4 軟件功能框圖

3 自動檢測裝置誤差分析

為了實(shí)現(xiàn)小型絕對式光電編碼器的動、靜態(tài)精度準(zhǔn)確檢測，必須保證檢測系統(tǒng)具有較高精度。本文設(shè)計(jì)的精度檢測系統(tǒng)主要有4個誤差來源，角度基準(zhǔn)源誤差、裝置的機(jī)械誤差、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差和電機(jī)速度波動導(dǎo)致的誤差。

角度基準(zhǔn)源為21位絕對式光電編碼器，精度優(yōu)于1.4″，即σ1=1.4″。

機(jī)械誤差主要來源于裝調(diào)和軸系晃動[6]，在支架的設(shè)計(jì)過程中，這部分誤差是經(jīng)過限定的，其誤差為σ2=±1″。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以60 MHz的頻率采樣，在最大轉(zhuǎn)速500 r/min時，可計(jì)算采樣誤差為

經(jīng)實(shí)際測量，電機(jī)在檢測速度范圍內(nèi)的波動不超過8×10-3r/s，速度波動可能會導(dǎo)致跳碼，由速度波動引起的誤差為

σ4=Δv·t

(7)

式中：Δv為速度波動；t為編碼器的細(xì)分延遲和數(shù)據(jù)處理時間，經(jīng)測量t=100 μs，則有

σ4=0.008×360×360×0.000 1=0.103 6″

由誤差合成公式，可以得到檢測系統(tǒng)的誤差

(8)

理論上要求檢測系統(tǒng)的精度大于被檢編碼器精度的3～5倍以上，被檢的15位絕對式編碼器精度40″左右。由上述誤差分析可知，所設(shè)計(jì)的動、靜態(tài)精度自動檢測裝置滿足檢測要求。

4 檢測實(shí)例

為了對本文設(shè)計(jì)的小型絕對式光電編碼器自動檢測系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，構(gòu)建了檢測裝置，并使用該檢測裝置對某15位小型絕對式編碼器進(jìn)行了動、靜態(tài)精度檢測。

該小型絕對式光電編碼器的分辨力為40″，靜態(tài)精度σ≤40″，動態(tài)精度不優(yōu)于40″，正常工作溫度為-40～+55 ℃，被檢編碼器數(shù)據(jù)通過RS485通信方式實(shí)現(xiàn)傳輸，基準(zhǔn)編碼器數(shù)據(jù)采用并口的方式傳輸。實(shí)驗(yàn)時，隨機(jī)選取2臺15位的小型絕對式編碼器進(jìn)行精度檢測，分別為1號編碼器和2號編碼器。檢測系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示，各部分名稱已在圖中標(biāo)出。

圖5 自動檢測系統(tǒng)實(shí)物圖

4.1 動態(tài)精度檢測實(shí)例

使用該檢測系統(tǒng)對2臺編碼器分別進(jìn)行動態(tài)精度檢測，分別在200 r/min和400 r/min穩(wěn)速下對2臺編碼器進(jìn)行檢測。采用了全分辨力檢測法，因此在電機(jī)速度穩(wěn)定后，在上位機(jī)軟件上可以得到編碼器的全周動態(tài)誤差。圖6、圖7是1號編碼器在200 r/min和400 r/min轉(zhuǎn)速時的動態(tài)誤差曲線，圖8、圖9是2號編碼器在200 r/min和400 r/min轉(zhuǎn)速時的動態(tài)誤差曲線。

圖6 1號編碼器200 r/min動態(tài)誤差

圖7 1號編碼器400 r/min動態(tài)誤差

圖8 2號編碼器200 r/min動態(tài)誤差

圖9 2號編碼器400 r/min動態(tài)誤差

從誤差檢測結(jié)果可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，編碼器動態(tài)誤差曲線的幅值明顯增大，說明其隨著速度的增加精度變差。這是因?yàn)樗俣仍黾訒?dǎo)致碼盤偏心和軸系晃動的不良影響變大。通過貝塞爾函數(shù)求解2臺編碼器在不同轉(zhuǎn)速下的動態(tài)精度，如表1所示。檢測結(jié)果表明2臺編碼器動態(tài)精度都滿足要求，可在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用。

表1 不同轉(zhuǎn)速下2臺編碼器動態(tài)精度

4.2 靜態(tài)精度檢測實(shí)例

使用本文設(shè)計(jì)的自動檢測系統(tǒng)分別對2臺編碼器的靜態(tài)精度進(jìn)行檢測，為了便于對比分析及驗(yàn)證檢測的可靠性，使用傳統(tǒng)的手動式轉(zhuǎn)臺分別檢測，作為對比試驗(yàn)。兩種方法得到的編碼器靜態(tài)精度、所用時間如表2所示。

表2 2臺編碼器靜態(tài)精度檢測對比

由檢測結(jié)果可以看出，自動檢測系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測法得到的靜態(tài)精度基本一致，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的自動檢測裝置的準(zhǔn)確度滿足要求。在同樣的檢測環(huán)境和操作人員的情況下，自動檢測系統(tǒng)所用時間更少，效率提高了5倍左右。

5 結(jié)論

本文研究并設(shè)計(jì)了小型絕對式光電編碼器動、靜態(tài)精度自動檢測系統(tǒng)，其以高精度的永磁同步電機(jī)和高速FPGA數(shù)據(jù)采集卡作為核心，通過測量與計(jì)算，該系統(tǒng)的精度滿足16位以下的光電編碼器的檢測要求。檢測實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)能完成400 r/min以內(nèi)，極低穩(wěn)速波動的動、靜態(tài)精度檢測，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，且大幅提高了檢測效率。系統(tǒng)具有體積小，抗干擾性強(qiáng)，穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，可以應(yīng)用到光電編碼器的生產(chǎn)和研制中。