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基于增量式光电编码器的高精度位置检测技术研究

【摘要】:随着数控技术朝着高速高精度方向不断发展,数控机床对光电编码器的位置检测精度提出了越来越高的要求。通过提高刻线密度来提高光电编码器分辨率的方法已经接近物理极限,迫切需要研究新的方法来提高光电编码器的位置检测精度。为此,在分析光电编码器的结构、工作原理以及国内外光电编码器细分技术现状的基础上,提出了两种提高光电编码器位置检测精度的电子学细分方法——模数转换法和时空转换法,并展开了下列研究: (1)采用高性能DSP和FPGA作为信号处理核心搭建了光电编码器高精度位置检测硬件电路,完成了高分辨率A/D与D/A转换、差分信号接收、光电隔离与高速数据传输接口等电路模块的设计与调试。 (2)探索了基于锁相环(PLL)移相编码与粗、细计时相结合的时间数字转换(TDC)方法,通过Verilog HDL语言编程与仿真,实现了基于FPGA的纳秒级高精度时间检测,为采用时空转换法提高位置检测精度创造了条件。 (3)通过软件编程完成了光电编码器原始信号的对中、单位化与鉴向预处理。在此基础上,一方面通过构造近似三角函数的方法实现了对光电编码器模拟信号的细分,另一方面利用物体在运动过程中具有惯性、速度不会突变的特点,通过高精度时间检测、当前速度检测与卡尔曼滤波估算,实现了对光电编码器脉冲信号的细分。 (4)建立了DSP与PC机的USB数据传输通道与可视化测试界面,分别运用模数转换法和时空转换法进行了位置检测实验与误差分析,验证了所提出的方法能够有效提高光电编码器的位置检测精度。

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