光電編碼器誤差檢測轉臺的動態精度標定

于 海，萬秋華，盧新然，趙長海，梁立輝

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

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光電編碼器誤差檢測轉臺的動態精度標定

于 海*，萬秋華，盧新然，趙長海，梁立輝

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

由于光電編碼器動態檢測轉臺的分辨率、精度和轉速都比較高，傳統檢測手段很難精確標定該類轉臺的動態精度，故本文開展了轉臺動態精度標定方法的研究。首先，分析動態轉臺工作原理，指出了影響轉臺動態精度的主要因素。然后，研究了動態誤差的主要特性，提出了一種基于動態重復性的轉臺動態精度標定方法。最后，設計了FPGA+USB的數據采集電路，實現了對轉臺動態精度的標定。對自行研制的轉臺進行了動態精度標定。標定結果顯示：提出的動態精度標定方法能夠實現對轉臺的標定，驗證了該轉臺能夠實現對被檢編碼器的動態檢測，解決了研制動態轉臺時缺少動態檢測精度標定方法的難題。

動態轉臺；光電編碼器；誤差檢測；動態誤差標定

1 引 言

隨著科學技術的發展，光電編碼器作為一種角度傳感器在航空航天領域的應用越來越重要[1-4]。光電編碼器不僅要在靜態下保持高精度輸出，還要在高轉速下保證高精度輸出。為了檢測光電編碼器的動態精度，本課題組設計了高精度動態轉臺。該轉臺采用高精度基準編碼器實現對低精度小型光電編碼器的動態檢測，分辨率為1.23″，靜態檢測精度優于2″，轉速為0.5～8 rad/s。

由于轉臺的分辨率和精度需優于被檢編碼器3～5倍以上才能實現對被檢編碼器的誤差檢測[5-6]，所以為了證明所設計的轉臺能夠滿足要求，并實現對轉臺的標定，需要首先對該轉臺的精度進行檢測。目前，轉臺精度的靜態精度標定通常采用多面棱體與激光自準直儀來完成，而動態檢測精度的標定研究尚屬空白。傳統方法只能實現轉臺的靜態精度檢測，很難實現動態精度的檢測。其原因在于：在檢測該轉臺的動態精度時，傳統方法不能在轉臺轉速為8 rad/s的狀態下對它進行精度標定，無法給出該轉臺能夠實現被檢編碼器動態精度檢測的重要證據。因此，轉臺動態精度檢測方法的研究，是研制光電編碼器動態轉臺和實現編碼器動態檢測的關鍵。

本文對轉臺動態精度標定方法進行了研究。首先對動態轉臺進行分析，提出影響動態精度的幾點因素；然后，提出轉臺的動態檢測精度標定方法；最后，設計了動態精度檢測電路，并對某型號自研轉臺進行了動態精度標定。該動態精度檢測電路成功實現了對該轉臺的動態精度標定，為提高動態轉臺的檢測精度和光電編碼器的批量生產提供了重要依據。

2 轉臺誤差特征分析

誤差是指實際測量結果與被測量真值之差[7]，其一般表達式為：

Δx(θ)=x(θ)-x′(θ)，

(1)

式中：x(θ)為實際測量結果，x′(θ)是被測量的真值。在光電編碼器動態轉臺的標定中，測量誤差是指轉臺輸出的角度值x(θ)與真實轉過角度x′(θ) 的差。

傳統方法采用式(1)的原理對轉臺進行誤差標定。這種標定手段多采用角度基準或多面棱體代替角度真值，可以實現較高的標定精度。但是，無論采用角度基準還是多面棱體檢測法，都不容易實現較高轉速下的誤差檢測。

動態誤差與靜態誤差的區別主要體現在動態性、時變性、隨機過程性和自相關性等性質上[9]。

時變性：本質上來說，動態誤差是一個動態量，它隨著檢測時間的不同而變化，因此動態誤差具有時變性；而靜態誤差是一個靜態量，不具有時變性。

動態性：動態誤差是指被測系統輸入量為動態量時，輸出結果產生的誤差具有隨時間而變化的性質；而靜態誤差是當被測系統的輸入量為靜態量時產生的誤差，所以不具有動態性。

自相關性：動態誤差包含大量的隨機信息，這些信息具有自相關性，因此在不同時刻的動態誤差的概率分布并非是獨立的，而是彼此相關的；而在不同時刻重復測得的靜態誤差一般具有獨立性。

隨機過程性：動態誤差是一個隨機過程，所以可以采用處理隨機過程的方法來處理動態誤差。

根據動態誤差的性質，這里將動態誤差作為一個隨時間變化的量。那么，在動態條件下的同一時刻內，動態誤差是指在這個時刻測量到的值與真實值的差，即：

Δx(t)=x(t)-x′(t)，

(2)

式中：x(t)是t時刻讀取到的數據，x′(t)是t時刻的真值，Δx(t)是動態誤差，t是時間變量。

設轉臺轉速為v，那么t時間處轉臺所轉過的角度值φ(t)可以表示為：

φ(t)=vt.

(3)

所以t時刻真值x′(t)=φ(t)；t時刻的數據x(t) 可以直接讀出。

為了消除讀數誤差，采用多次測量取平均值的方法來估計x′(t)，即：

(4)

式中：xi(t)為t時刻第i次測量的數值，N為測量次數。N越大，式(4)越能反映真實誤差值。

3 動態轉臺檢測精度的標定方法

在檢測轉臺的動態檢測精度時，將轉臺旋轉一周所用的時間分為n等份，每一份的時間間隔為：

(5)

式中v為當前轉臺的旋轉角速度。

重復測量N次，記錄下每一周旋轉過程中各個時間節點轉臺的輸出數據。為了消除讀數誤差，對每次測量中相同時間節點的讀數取平均值，即：

(6)

(7)

φ(n)=v·Tv·n.

(8)

為了進一步表征轉臺的動態檢測精度，對En做標準差得到：

(9)

4 檢測實驗

4.1 光電編碼器動態轉臺的工作原理

待標定的自研動態誤差轉臺如圖1所示。動態轉臺采用高精度基準光電編碼器對低精度被檢編碼器進行角度數據對比，從而實現被檢編碼器的誤差檢測。按下計算機軟件中的“開始檢測”按鈕，并設置好相應的轉速，驅動電機將帶動被檢編碼器和基準編碼器同軸轉動；系統電箱采集的兩編碼器的角度數據通過USB總線傳輸到計算機中；計算機軟件對角度數據進行計算處理，得到被檢編碼器的精度數據。

該動態檢測轉臺具有低成本、便捷化、多樣本、快速化、全自動化等優點。

圖1 光電編碼器動態誤差檢測轉臺

4.2 采集電路設計

動態精度數據采集電路由現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)+USB組成，其原理如圖2所示。

圖2 數據采集電路原理圖

采集電路的FPGA芯片采用XILINX公司生產的XC3S400。USB傳輸芯片采用Cypress公司生產的CY68013A。在數據傳輸時，電路為Slave FIFO模式，所以固件程序并不控制數據的傳輸，這樣可以達到最大的傳輸速度，即48 Mb/s。

轉臺中的角度輸出由同軸轉動的基準編碼器給出。基準編碼器輸出的兩路正交方波信號A、B是相位相差1/4周期的兩路正交方波信號，當基準編碼器轉過一個角度分辨率時正交方波信號變化1/4周期。同時在FPGA內部設計時間計算器，每隔時間Tv就對基準編碼器的計數數據進行一次數據鎖存，每一圈鎖存n個數據。鎖存完畢后，將數據傳輸給USB芯片的FIFO中進行上傳，并在PC軟件中進行處理。

4.3 采集實驗

采用該數據采集卡檢測本課題組設計的某型號動態轉臺的動態精度。實驗時，只檢測轉速為8 rad/s 時的動態精度。每個圓周內取23個時間節點，那么時間間隔Tv≈0.005 4 s。共進行10次采集實驗，實驗數據如表1所示。

表1 動態誤差檢測結果(16進制)

表1中，20位角度數據是采用5位16進制數據表示的，最后一列是10次數據采集的平均值。每一個時間節點處的讀數平均值和真實角度值分別如圖3和表2所示。

根據式(9)得到本次檢測轉臺的動態精度為：

σv=72.1″.

由此可知，轉臺的動態檢測精度σv遠遠優于被檢編碼器的動態精度指標，因此該轉臺可以用來實現此類編碼器的動態精度檢測。

圖3 轉臺檢測誤差圖

5 標定精度分析

本文進行的轉臺動態檢測精度檢測是基于式(2)實現的。經過分析，該方法的檢測精度主要受轉速不穩定的影響。

采用時間t為動態檢測誤差的變化方向，會引入由于轉速不穩定而產生的讀數誤差。在v轉速下，設第i次檢測時轉臺旋轉t時刻后轉過的角度讀數值為Ai(t)，那么i與i-1、i+1與i檢測的讀數值偏差分別為：

ΔAi(t)=ΔAi(t)-ΔAi-1(t)，

(10)

ΔAi+1(t)=ΔAi+1(t)-ΔAi(t).

(11)

由于讀數偏差具有隨機性，當檢測點數足夠多時，對所有誤差的偏差取平均值得到：

(12)

6 結 論

本文通過分析動態誤差，提出了光電編碼器動態檢測轉臺動態檢測精度的測量方法。基于該方法設計了FPGA+USB的數據采集電路，實現了對某型號自研轉臺的動態檢測精度測量。實驗結果表明，轉臺的動態檢測精度為72.1″，能夠實現被檢編碼器的動態檢測。

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于 海(1987-)，男，吉林郭化人，博士，助理研究員，2009年于東北電力大學獲得學士學位，2014年于中科院長春光機所獲得博士學位，主要從事光電位移精密測量技術的研究。E-mail：yuhai5158@163.com

萬秋華(1962-)，女，吉林長春人，博士，研究員，博士生導師，主要從事光電位移精密測量技術及高精度光電軸角編碼器等方面的研究。E-mail：wanqh@ciomp.ac.cn

(本欄目編輯：曹 金)

(版權所有 未經許可 不得轉載)

Calibration of dynamic precision for measurement platform of photoelectric encoder

YU Hai*， WAN Qiu-hua， LU Xin-ran， ZHAO Chang-hai， LIANG Li-hui

(Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics，ChineseAcademyofSciences，Changchun130033，China)

The dynamic measurement platforms for photoelectric encoders are characterized by higher resolution， higher accuracy， and higher rotation speeds， and traditional measurement methods are difficult to calibrate its dynamic measurement accuracy. So， this paper proposes a calibration method for the measurement platforms. The working principle of the platforms was analyzed， and some factors effecting the measuring accuracy of the platforms was pointed out. The main characteristics of dynamic errors were researched and analyzed and a dynamic calibration method for the platforms was introduced based on its dynamic repetition characteristics. Finally， a FPGA+USB data collection circuit was designed to use in the calibration method. The method was successfully utilized to calibrate some self-developed dynamic platforms. The results show that the method proposed is capable of calibrating dynamic rotation platforms， and verify that the measurement platform can implement the dynamic measurement of photoelectric encoders. The method solves the problem of dynamic calibration for dynamic rotation platforms.

dynamic platform； photoelectric encoder； error measurement； dynamic error calibration

2016-03-29；

2016-05-23.

國家自然科學基金資助項目(No.51605465)

1004-924X(2016)11-2699-06

TP212.1

A

10.3788/OPE.20162411.2699

*Correspondingauthor，E-mail：yuhai5158@163com