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高速矩阵光电编码器的研究

【摘要】:光电轴角编码器作为一种集光、机、电于一体的角位置传感器,具有分辨率高、测量精度高、形式多样等优点,被认为是一种较为理想的光电角位置传感器,已广泛应用于现代工业、航天航空等领域。 随着控制技术的发展和高精密测量需要的增长,光电轴角编码器不断地致力于向小型化、高精度、高分辨率、高频响方向的研究与突破。 本文对高速矩阵光电编码器进行研究: 进行了光电轴角编码器的结构设计,重点介绍了主轴系统、光电照明及接收元件的设计和选材。 对矩阵光电编码盘的码道刻划方式及矩阵码的译码和精粗校正原理进行了研究,推导出矩阵译码及精粗校正的逻辑方程组,进而设计了13位矩阵编码盘。采用矩阵编码方式,可在很大程度上减小编码盘径向尺寸,有利于高位光电编码器的小型化。 对高速矩阵光电编码器的数据采集及处理系统进行了设计,以DSP为主控芯片,对系统进行整体控制,并完成对信号的采集及细分校正等高速运算处理,缩短了数据运算处理周期,提高了系统响应速度;选用高性能A/D转换器对光电信号进行A/D采样和传输,简化了模/数转换电路的硬件空间,提高了系统的稳定性和可靠性;采用CPLD代替传统微处理器外围大量的集成电路,并在CPLD内完成矩阵码的译码,节省了系统的硬件空间,减少了工作时间;选择基于DSP和专用接口芯片的USB通讯,实现DSP与上位机间数据的高速实时传输。该系统实现了光电编码器的高速信号采集与处理,可以大大提高系统的响应速度。 进行了光电编码器的误差分析,在光电信号质量和软件细分等方面系统地分析了光电编码器的误差原因,研究了细分误差的计算方法,考虑到数字信号处理器强大的数据处理能力,介绍了利用离散傅立叶变换进行编码器细分误差计算与补偿的方法。 最后对高速矩阵编码器进行了精度检测,21位高速矩阵编码器理论分辨率0.618”,精度检测结果均方根σ=1.89”,可以满足角位移动态检测和实时控制要求。

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