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基于非均匀采样光电编码器细分误差的分析方法研究

【摘要】:随着工业产品、军用设备及航空航天等科技领域的飞速发展,适用于不同工作环境的光电编码器已成为研究热点,对编码器精度和分辨力提出了更高的要求。由于莫尔条纹信号细分误差是影响光电编码器精度的主要因素,因此开展对高精度光电编码器莫尔条纹信号的深入分析,进而探究其细分误差的来源,实现动态精度的实时监测,并根据精度检测结果进行在线信号修正,从而对提高编码器性能指标及检测精度,促进光电编码器在各个领域的更广泛应用具有积极意义。在参考国内外文献的基础上,首先从光电编码器莫尔条纹信号的采集原理出发,根据编码器的实际工作方式,建立了莫尔条纹信号方程。通过得到的方程分析莫尔条纹信号质量对细分误差的影响,利用傅里叶算法推导出信号各项参数计算公式,从而求解出编码器工作时的动态细分误差值,并以此提出对实际莫尔条纹信号修正方法。为提高编码器莫尔条纹光电信号测量精度,针对编码器实际工作时非匀速转动状态,无需限定固定的采样频率,提出了基于非均匀采样的莫尔条纹光电信号分析方法。根据光电编码器输出的变频信号,利用非均匀采样点通过曲线拟合最小二乘法对不同转速下的莫尔条纹信号进行重构,并分析重构误差。该方法克服了均匀采样分析方法中对采样频率严格要求的问题,减小了计算量,获得编码器原始的真实光电信号。经重构后得到真实莫尔条纹信号,利用均匀采样的理想采样时刻数据点,提出基于离散傅里叶变换算法的莫尔条纹信号参数计算方法。根据实际信号,建立数学模型,采用傅里叶变换方法推导出信号频率、幅值及相位等参数的求解方程,通过莫尔条纹信号参数与编码器细分误差的关系,计算出编码器工作时的动态细分误差值,实现工作中精度的实时测量,从而提高了高精度光电编码器的动态检测精度。针对编码器输出的实际莫尔条纹信号,提出了采用遗传算法对信号进行误差修正的方法。为提高遗传算法优化度,缩短运算时间,增强全局搜索能力,对算法中存在的问题进行了改进。采用改进后的遗传算法将实际信号存在的误差进行校正处理,得到更接近理想的莫尔条纹信号,提高了编码器的测量精度和分辨力,为高精度光电编码器信号的在线修正奠定了基础。通过以上理论算法支撑,建立了高精度光电编码器细分误差分析系统。采用17面光学多面体和精度为0.1"的CCD双轴自准直仪作为检测装置,搭建了预处理电路和核心处理电路,在下位机和微处理器上设计了图形用户界面及数据处理算法实现程序,实现了对高精度编码器静态细分误差与动态细分误差的测量计算与分析。运用本文研究的方法对21位绝对式光电编码器信号进行分析处理,文中所提出的算法对采样频率没有固定的严格要求,参照编码器不同转速保证采样数据点能够真实反映原始信号,设采样频率在100KHz左右,从而得出莫尔条纹信号重构最大相对误差在(-0.2%,0.2%)范围内,根据实际测量的编码器动态细分误差值,计算得到其标准偏差σ=±0.7",经改进后的遗传算法对莫尔条纹信号修正后动态细分误差的标准偏差σ=±0.45"。实验结果表明:本文研究的非均匀采样分析方法可有效地提高光电编码器细分误差测量精度,通过改进后的遗传算法对信号的修正具有可行性和准确性,所设计的光电编码器分析系统可作为实际工作现场精度检测装置,对研制设计高精度、高分辨力光电编码器具有重要意义。

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