李德良

（廣州華海電子科技有限公司，廣東廣州，510700）

1 電子編碼器

本文就以依靠容柵科技規(guī)劃的雙能道、高精確性、高辨別率的角位置編碼設(shè)備為探究對(duì)象。其主要由同軸設(shè)置的2個(gè)定圓盤與1個(gè)正弦外形的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，2個(gè)定圓盤上都刻了面積、形狀一樣的柵形發(fā)射電機(jī)與接收電極。轉(zhuǎn)子運(yùn)行環(huán)節(jié)，出現(xiàn)了在時(shí)空方面調(diào)制的電場，基于定圓盤中電子線路的處置調(diào)制為隨角度改變的幅值一樣相位差為90°的正余弦信號(hào)，其傳輸電壓分別以式（1）、（2）代表。

其中，θ表示轉(zhuǎn)子運(yùn)行的角度；U表示調(diào)制傳輸電壓的最高幅值；按照正余弦信息的幅值與相位關(guān)系就能計(jì)算出轉(zhuǎn)子部位。

2 偏差分析與補(bǔ)償辦法

電子編碼器傳輸?shù)慕俏恢眯盘?hào)偏差是由制造方法偏差與調(diào)制信息的電子線路出現(xiàn)的周期性偏差組成。制造方法造成的偏差具體表現(xiàn)出電子編碼器粗精通路的機(jī)械零位未對(duì)應(yīng)而造成的機(jī)械偏移角偏差；周期性偏差是由正余弦信號(hào)不好造成的諧波偏差構(gòu)成[1]。二次諧波偏差重點(diǎn)由正余弦信息幅值不同造成，但是電子編碼器中的硬件線路基本良好的幅值匹配作用能夠防止該偏差的出現(xiàn)。二次諧波偏差是因?yàn)榫幋a器中電場變動(dòng)、失真導(dǎo)致的，但是因?yàn)樵撈顚?duì)計(jì)算精度的干擾較小，一般能夠忽視不計(jì)。本文著重對(duì)角度計(jì)算精度有嚴(yán)重干擾的一次諧波偏差與粗精通路的機(jī)械偏移角偏差展開分析，且探究了在系統(tǒng)上補(bǔ)償這兩種偏差的辦法。

2.1 偏移電壓偏差

一次諧波偏差是因?yàn)殡娮泳幋a器安裝軸偏心引起的。盡管電子編碼器現(xiàn)有輸出信息的一次諧波屬于mV級(jí)的，但是如果不補(bǔ)償它們將嚴(yán)重影響角度的計(jì)算精度[2]。精通路的一次諧波偏差將干擾傳輸角度的精度，但粗通路的一次諧波偏差將干擾初始絕對(duì)部位值獲得的穩(wěn)定性。對(duì)一次諧波偏差的補(bǔ)償盡量在電子編碼器傳輸?shù)恼嘞倚盘?hào)信息化完成之后處理，由于這樣能夠把后期信號(hào)處置線路內(nèi)的微分放大器與A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備的潛在干擾也考慮到。

如果電子編碼器傳輸?shù)恼嘞倚盘?hào)無偏移電壓偏差時(shí)，Usin與Ucos的關(guān)系為：

其中，U表示電子編碼器傳輸正余弦信息的模值；K表示放大設(shè)備的擴(kuò)大倍數(shù)。正余弦電壓和被測的轉(zhuǎn)動(dòng)角θ之間的聯(lián)系是：

圖1 正余弦信號(hào)沒有偏移電壓偏差時(shí)的李薩如圖示意圖

其是一個(gè)以θ為系數(shù)的圓，當(dāng)θ改變時(shí)Usin與Ucos改變軌跡繪制出的李薩茹圖見圖2，是以O(shè)為圓心，以KU為半徑的圓。

圖2 正余弦信號(hào)存在偏移電壓偏差時(shí)的李薩茹圖

轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過的角度θ通過式（5）獲得，即：

如果電子編碼器傳輸?shù)恼嘞倚吞?hào)存在偏移電壓偏差時(shí)，Usin、Ucos 變成 Usinδ、Ucosδ，見（6）式。

其中δUsin0與δUcos分別代表Usin與Ucos零點(diǎn)輸出值，見圖3所示，這時(shí)圖1的O點(diǎn)移至（δUsin0，δUcos0），此時(shí)θ從（5）變成：

所以通過偏移電壓造成的角度測量偏差δθ是：

通過上述分析得知，只需就得δUsin0與δUcos0，就能夠修正與補(bǔ)償U(kuò)sin-與Ucos0，進(jìn)而令由偏移電壓造成的角度測量偏差δθ是0。

本文選擇了求均值的辦法來運(yùn)算偏移值，而且用求方差的方式來矯正二次諧波。在嚴(yán)格根據(jù)安裝標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置好點(diǎn)子編碼器后，讓設(shè)備以特定速度運(yùn)速運(yùn)動(dòng)1周，以恒定的取樣率持續(xù)取樣電子編碼器傳輸?shù)碾妷簠?shù)，且記下收集到的最高值與最低值，再求出其平均值用作偏移值，把測出的電壓值減掉偏移值就是補(bǔ)償后的參數(shù)。

2.2 機(jī)械偏移角偏差

理想條件下，設(shè)備粗精通路的機(jī)械零位相相同，但因?yàn)殡娮泳幋a器加工工業(yè)與機(jī)械設(shè)置造成的偏差將令粗精通路的機(jī)械零位未對(duì)象，進(jìn)而引起了機(jī)械偏移角偏差。

電子編碼器通電時(shí)傳輸?shù)某跏紮C(jī)械角部位值mAngle通過式（7）獲得 ：

其中，精通路的索引值flnd通過式5）得到：

其中，CECR、fCER代表粗精通路的電角度周期量；cAngle、fAngle表示粗精通路的電角度參數(shù)。通過式（9）、式（10）得知，當(dāng)CECR、fCER已知時(shí)，粗通路的電角度參數(shù)cAngle確定了flnd，進(jìn)而干擾電子編碼器mAngle的獲取。

如圖3所示，當(dāng)精通路機(jī)械部位值是0時(shí)，粗通路機(jī)械部位值是CAA/，這時(shí)相應(yīng)的粗通路的良好電角度參數(shù)是CAA。A、B兩點(diǎn)相應(yīng)的精通路電角度參數(shù)分別是A/、B/，通過式（9）得知，在A、B兩點(diǎn)通電時(shí)的mAngleA與mAngleB分別是：

圖3 粗精通路零位偏差圖

因?yàn)橛写志妨阄黄?，?jiǎng)產(chǎn)生A、B兩個(gè)地方的電角度參數(shù)所決定的flndA與flndB一樣，且A/、B/之中的電角度參數(shù)通過了一個(gè)精通路周期調(diào)換的情況產(chǎn)生。在這種狀況下，由式8）得知，A、B兩點(diǎn)相應(yīng)的相應(yīng)的初始機(jī)械角部位值都取決于精通路的電角度參數(shù)A/、B/，而精通路的電角度參數(shù)A/、B/改變很大，因此在很小的角度區(qū)域內(nèi)通過A/與B/，兩點(diǎn)所決定的初始機(jī)械角部位值將有大角度的調(diào)整、運(yùn)算錯(cuò)誤等情況的產(chǎn)生。所以，粗精通路的零位偏差將影響通電時(shí)初始絕對(duì)部位值獲得的穩(wěn)定性。

為了讓粗精通路的機(jī)械零位相同，就要求對(duì)粗通路的電角度參數(shù)補(bǔ)加一個(gè)電角度參數(shù)CAA進(jìn)而除去粗精通路的零位偏差[3]。與一次諧波偏差的補(bǔ)償辦法類似，在特定時(shí)間間隔持續(xù)取樣電子編碼器傳輸?shù)碾妷褐登疫\(yùn)算粗精通路的機(jī)械部位值mAnglef、mAnglec，再將粗精通路的機(jī)械部位值不同參數(shù)的平均值用作CAA/的值。

補(bǔ)償之后粗通路的電角度參數(shù)cAngle是：

其中，mCrAngle表示粗通路的測量數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用分析

文章分析的電子編碼器偏差與補(bǔ)償方法在某工程的伺服平臺(tái)中獲得了良好的使用。型號(hào)是ERO 1400的產(chǎn)品粗精比是32:1；精度低于0.01°，其傳輸?shù)恼嘞倚盘?hào)通過獨(dú)立電源運(yùn)轉(zhuǎn)OPA376擴(kuò)大后送進(jìn)DSP，擴(kuò)大后的正余弦信號(hào)基于DSP之中A/D轉(zhuǎn)換器信息化后經(jīng)過SPI接口被送到接口系統(tǒng)LTC2850內(nèi)。在LTC2850內(nèi)信息化的正余弦信號(hào)基于電平調(diào)換后由差分方式送出。上位機(jī)基于USB轉(zhuǎn)變RS-485轉(zhuǎn)換設(shè)備收集正余弦信息后完成偏差修正與補(bǔ)償，且把修正與補(bǔ)償值送進(jìn)DSP內(nèi)便于在角度計(jì)算時(shí)使用。

在具體的伺服平臺(tái)上，以特定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，基于ERO 1400型號(hào)的產(chǎn)品解碼軟件與海德漢29位高精準(zhǔn)角度編碼設(shè)備RCN8380的解碼軟件對(duì)轉(zhuǎn)軸部位同步展開檢測且記下所測角位置信息[4]。基于RCN8380解碼軟件測得的值與為理想值來測試與檢驗(yàn)ERO 1400產(chǎn)品的解碼軟件偏差與補(bǔ)償方法的高效性及穩(wěn)定性。通過研究發(fā)現(xiàn)，基于電子編碼器解碼軟件偏差修正與補(bǔ)償?shù)慕嵌葏?shù)的一次諧波獲得了良好修正與補(bǔ)償，精度也獲得明顯提升，基本維持在±0.01°范圍以內(nèi)。

轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)使之在隨機(jī)部位停止轉(zhuǎn)動(dòng)，給電子編碼器解碼軟件通電，這時(shí)記錄已經(jīng)實(shí)施過偏差修正與補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備解碼軟件傳輸?shù)某跏紮C(jī)械角部位值，讓電子編碼器解碼軟件繼電，接著小角度的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸至某一部位然后給電子編碼器解碼軟件通電，且記下這時(shí)的初始機(jī)械角部位值。在隨機(jī)部位反復(fù)檢測后得知，電子編碼器解碼軟件在兩次通電時(shí)的初始機(jī)械角部位值改變平緩，未產(chǎn)生大角度的變化，由此能夠發(fā)現(xiàn)粗精通路的零位偏差也獲得了修正與補(bǔ)償。

4 結(jié)論

文章著重對(duì)電子編碼器一次諧波偏差與粗精通路機(jī)械偏移角偏差分析了偏差補(bǔ)償與修正的辦法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：通過偏差補(bǔ)償與修正的設(shè)備解碼軟件的精度與初始機(jī)械角部位值求得的準(zhǔn)確度均獲得了明顯的提升，精度從±0.02°上升了±0.01°范圍以內(nèi)，在設(shè)備小角度改變時(shí)每次通電的初始部位值沒有大角度的變動(dòng)。文章分析的偏差與補(bǔ)償方法能夠有效用在其他存在電子編碼設(shè)備的角位置檢測工作中。