小型光电编码器自动检测系统

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　孙树红1，2，3，赵长海1，万秋华1*，李艳茹1

　　(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033;2.中国科学院大学，北京100049;3.总装备部沈阳军事代表局驻长春地区军事代表室，吉林长春130033)

　　摘要:设计了小型光电编码器自动检测系统，用于准确快速地检测小型光电轴角编码器的误差。采用21位高精度光电编码器作为角度基准来检测低精度的小型光电编码器。用控制系统转动编码器，此时高精度编码器与被检编码器之差即为小型编码器在该位置的误差。检测完毕，根据需要将编码器的误差通过USB接口传输给上位机保存并进行深度分析。采用该系统检测某型号的15位编码器，得到的均方差为29.1″，而传统方法检测的误差均方差为28.5″，表明设计的检测系统满足检测精度要求。

　　关键词:光电编码器;自动检测;USB接口;误差

　　中图分类号:TN762;TP212.9文献标识码:Adoi:10.3788/CO.20130604.0600AutomaticdetectionsystemforminiaturephotoelectricalencoderSUNShu-hong1，2，3，ZHAOChang-hai1，WANQiu-hua1*，LIYan-ru1(ChangchunInstituteofOptics，FineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyofSciences，Changchun130033，China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China;3.MilitaryepresentativeOfficeStationedinChangchunAreabyShenyangMilitaryRepresentativeBureau，GeneralArmamentDepartment，Changchun130033，China)*Correspondingauthor，E-mail:wanqh@ciomp.ac.cn

　　Abstract:Anautomaticdetectionsystemwasdesignedtoquicklyandaccuratelydetecttheprecisionofaminiaturephotoelectricencoder.A21bithighprecisionphotoelectricencoderwasusedasthereferencetodetectthelowprecisionminiaturephotoelectricencoder.Thecontrolsystemwastakentorotatetheencoderfirst，andthedifferenceofthehighprecisionencoderandtheminiatureencoderwastheerroroftheminiatureencoder.Afterthetestingwascompleted，theerrorsofencoderweretransmittedtothehostcomputerthroughtheUSBinterfacetosaveandtoperformanin-depthanalysis.A15-bitencoderwasdetectedbyusingthesystem，themeansquaredeviationoftheencoderis29.1s，howeverthemeansquaredeviationoftheencoderis28.5swhenthedetectionisdonebythetraditionalmethods.Obtainedresultsmeettheaccuracy

　　requirements.

　　Keywords:photoelectricencoder;automaticdetection;USBinterface;error

　　1引言

　　光电轴角编码器是一种高精度角度测量装置，它能把轴角信息转换成数字代码，将其与计算机和显示装置连接后即可实现动态测量和实时控制。随着光电编码器在工业、国防、航天等领域的广泛应用，对编码器的技术指标的要求越来越高。其中最重要的就是精度，如何快速、准确地检测编码器的精度，是业内人士一直在研究的课题[1]。

　　目前国内外在进行低精度光电编码器检测时，通常采用高精度角度基准来检测编码器[2-3]，将高精度编码器和低精度编码器进行同轴连接，转动编码器，高精度编码器与被检编码器的示值差即为被检编码器在当前位置的误差;检测高精度编码器时，通常采用正多面体和自准直仪作为角度基准，将编码器和正多面体进行同轴连接，正多面体和自准直仪作为角度基准来检测编码器的误差。通常情况下，检测编码器精度需要在严格的实验室条件下进行，且检测过程复杂、时间长[4-5]。为实现快速、准确的精度检测，本文研制了一套小型光电编码器自动检测系统。首先采用一台21位、均方差σ<2″的编码器和被检编码器进行同轴连接。开始检测时，系统控制电机转动，在小型编码器数据发生改变时刻采集基准编码器的角度，两者角度差即为小型编码器在该位置的误差。检测完成后，将数据通过USB接口传输给计算机进行人机界面显示及深度分析，还可以将数据存储起来供以后参考。

　　2检测算法研究

　　光电编码器误差可以用编码器的显示值与真值之差来表示:M=S-Q，(1)式中:S为显示值，Q为真值。本系统中，用21位高精度编码器来表示真值。由于光电编码器的分辨力是有限的，所以编码器本身也存在量化误差，其量化误差为正负半个分辨力。对于一个位数为N的光电编码器，其分辨力为:δ=360×36002N″，(2)则其量化误差为δ2。对于本系统的21位基准编码器编码器，其量化误差最大值为0.31″。

　　3系统设计

　　3.1结构设计

　　本编码器的机械结构设计如图1所示。最下端为稳速电机，中间为21位基准编码器，最上端为被检编码器。该自动检测系统主要有基准编码器、稳速驱动电机、处理电路、计算机等组成。检测时，基准编码器、驱动电机、被检编码器固定在平台上，电机轴、基准编码器轴和被检编码器轴需要调整到一条直线上。为了避免基准编码器和电机频繁拆卸，系统工作之前已将基准编码器和电机轴调整到一条直线上，并紧固好螺钉。因此检测编码器时，只需要将被检编码器轴和基准编码器轴调整到同一直线即可。

　　4实验

　　4.1基准编码器精度检测

　　对21位基准编码器的精度检测，采用了比较法，如图5。利用正多面体和自准直仪作为角度基准来检测该21位编码器。采用的正多面体为正17面体，相邻两个面的法线之间的夹角为360°/17=21°10'35.3″，当多面体一个面的法线与自准直仪发出的光线平行时，自准直仪发出的光线沿原路返回，此时自准直仪显示的误差为0;当自准直仪发出的光线与多面体面的法线有夹角时，则自准直仪将显示夹角的大小。如果编码器和多面以及自准直仪都没有误差时，将多面体的第一个面和自准直仪进行对准，此时自准直仪显示的角度误差为0，将编码器转动21°10'35.3″时，此时自准直仪显示的角度误差将依然是0。

　　在实际检测时，首先将多面体和编码器进行同轴连接，编码器调整到示值为0的位置，调整自准直仪的位置，使自准直仪对准正17面体的第一面，且自准直仪显示的误差为0。旋转编码器至示值为21°10'35.3″的位置(由于编码器的分辨力有限，编码器实际的显示值为21°10'35.4″)，此时自准直仪显示的误差值即为编码器在该位置的误差。继续旋转编码器至示值为42°21'10.6″的位置，以此类推。编码器正转及反转各检一次，整个检测过程不得有间歇或更换检测人员，如果在同一位置正转及反转检测到的编码器误差值差别较大，超过编码器的一个分辨力即0.6″时，则本次检测结果无效，需要重新检测。检测得到该21位编码器在不同位置的误差曲线如图6所示，图中的两条曲线分别代表编码器正转及反转时的误差。

　　5结论

　　该自动检测系统采用TI公司的TMS320F28335型DSP作为处理器，采集被检编码器与基准编码器的角度差作为被检编码器在该位置的误差，通过USB接口将编码器的角度误差传输给上位机。通过实验证明，采用该系统来检测小型光电编码器误差时，其具有检测速度快、结果准确、使用方便等特点。

　　参考文献:

　　[1]赵长海，万秋华，孙莹.光电轴角编码器的误码检测系统[J].电子测量与仪器学报，2012

　　，26(5):463-468.ZHAOCHH，WANQH，SUNY.Codeerrordetectionsystemforphotoelectricshaftencoder[J].J.ElectronicMeasurementandInstrument，2012，26(5):463-468.(inChinese)

　　[2]赵柱，续志军，王显军.基于运动控制技术的编码器自动检测系统[J].中国光学与应用光学

　　，2009，2(2):134-139.ZHAOZH，XUZHJ，WANGXJ.Anautomaticdetectionsystemofencodererrorbasedonmotioncontroltechnology[J].ChineseJ.OpticsandAppl.Optics，2009，2(2):134-139.(inChinese)