CN105424073A

CN105424073A - 一种增量式光电编码器精度检测系统

Info

Publication number: CN105424073A
Application number: CN201511017711.0A
Authority: CN
Inventors: 万秋华; 杜颖财; 杨守旺; 于海; 刘小树
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2015-12-29
Filing date: 2015-12-29
Publication date: 2016-03-23

Abstract

本申请公开了一种增量式光电编码器精度检测系统，包括固定支架、直流电机、基准编码器、数据采集及控制电路、电机驱动电路和具有显示设备的计算机，直流电机带动基准编码器和被检增量式光电编码器同步转动。检测系统通过数据采集及控制电路采集基准编码器在被检增量式光电编码器输出的两个方波信号的各转换沿位置的角度数据，并将该角度数据按照预设要求计算得到被检增量式光电编码器正交性和均匀性，实现对被检增量式光电编码器的精度检测。本发明采用基准编码器作为角度基准得到角度数据，实现对被检增量式光电编码器的角位置误差的直接检测，避免了因电机转速不均匀或转速变化大而带来的检测误差。

Description

一种增量式光电编码器精度检测系统

技术领域

本发明涉及增量式光电编码器技术领域，更具体的说，涉及一种增量式光电编码器精度检测系统。

背景技术

增量式光电编码器是一种以高精度计量光栅作为检测元件，通过光电转换技术，将输入的角度信息转换成相应脉冲或数字代码的光电位移传感器。增量式光电编码器广泛应用于工业控制、自动化检测及精密测量等领域。由于精度是增量式光电编码器的重要技术指标之一，因此，在增量式光电编码器研制和生产过程中，需要对其精度进行检测。

现有检测方法是：通过电机带动被检增量式光电编码器旋转，电机匀速旋转时被检增量式光电编码器转过的角度由输出的两个方波信号A和B表示，通过示波器测量方波信号A中相邻两个周期的波峰的时间，以及方波信号B的波谷分别与方波信号A的波峰和波谷交错的时间，从而利用这些时间计算得到被检增量式光电编码器的均匀性和正交性。通常将被检增量式光电编码器的均匀性和正交性作为被检增量式光电编码器的角位置误差实现对被检增量式光电编码器的精度检测。

由于现有检测方法受电机转动平稳性的影响较大，因此，当电机转速不均匀或转速变化较大时，所得到的两个方波信号偏差较大，从而使得计算得到的被检增量式光电编码器的均匀性和正交性的偏差增大，因此无法反映被检增量式光电编码器的真实精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种增量式光电编码器精度检测系统，以实现对被检增量式光电编码器的角位置误差的直接检测，避免因电机转速不均匀或转速变化较大时而带来的检测误差。

一种增量式光电编码器精度检测系统，包括：固定支架(11)、直流电机(12)、基准编码器(13)、数据采集及控制电路(14)、电机驱动电路(15)和具有显示设备的计算机(16)，其中，所述固定支架(11)具有上下两个平台，分别为位于第一水平面的第一平台(111)和位于第二水平面的第二平台(112)，所述第一水平面高于所述第二水平面；

被检增量式光电编码器(17)固定在所述第一平台上(111)，所述基准编码器(13)固定在所述第二平台(112)上，所述基准编码器(13)的主轴的一端与所述直流电机(12)相连接，所述主轴的另一端与所述被检增量式光电编码器(17)的主轴相连接，所述被检增量式光电编码器(17)和所述基准编码器(13)分别与所述数据采集及控制电路(14)相连接，所述数据采集及控制电路(14)通过所述电机驱动电路(15)与所述直流电机(12)相连接，所述计算机(16)与所述数据采集及控制电路(14)相连接；

所述计算机(16)向所述数据采集及控制电路(14)发送启动命令，所述数据采集及控制电路(14)根据所述启动命令控制所述电机驱动电路(15)驱动所述直流电机(12)转动，所述直流电机(12)带动所述基准编码器(13)和所述被检增量式光电编码器(17)同步转动，所述数据采集及控制电路(14)采集所述基准编码器(13)在所述被检增量式光电编码器(17)输出的两个方波信号的各转换沿位置的角度数据，并将所述角度数据按照预设要求计算得到所述被检增量式光电编码器(17)的正交性和均匀性，并输出至所述计算机(16)进行显示。

优选的，所述数据采集及控制电路(14)计算得到所述正交性和所述均匀性的过程包括：

所述数据采集及控制电路(14)接收所述被检增量式光电编码器(17)输出的第一方波信号和第二方波信号，以及所述基准编码器(13)输出的角度基准数据；

利用所述第一方波信号、所述第二方波信号以及所述角度基准数据，得到所述第一方波信号中相邻两个周期的波峰对应的角度值a₁和角度值a₂、所述第二方波信号的波谷与所述第一方波信号的波谷交错的角度值a₃、以及所述第二方波信号的波谷与所述第一方波信号的波峰交错的角度值a₄；

将所述角度值a₁和所述角度值a₂带入如下公式(1)，得到均匀性J，公式(1)为：

J = \frac{2 \times | a_{1} - a_{2} |}{a_{1} + a_{2}} \times 100 % - - - (1);

将所述角度值a₃和所述角度值a₄带入如下公式(2)，得到正交性Y，公式(2)为：

Y = \frac{| a_{3} - (a_{3} + a_{4}) / 2 |}{(a_{3} + a_{4}) / 2} \times 100 % - - - (2) .

优选的，所述数据采集及控制电路(14)包括：

与被检增量式光电编码器(17)相连接的被检增量式光电编码器数据采集电路(141)，所述被检增量式光电编码器数据采集电路(141)用于采集所述被检增量式光电编码器(17)输出的所述第一方波信号和所述第二方波信号；

与所述基准编码器(13)相连接的基准编码器数据采集电路(142)，所述基准编码器数据采集电路(142)用于采集所述基准编码器(13)输出的所述角度基准数据；

数据处理与计算电路(143)，所述数据处理与计算电路(143)分别与所述被检增量式光电编码器数据采集电路(141)和所述基准编码器数据采集电路(142)连接，用于采集所述基准编码器(13)在所述被检增量式光电编码器(17)输出的两个方波信号的各转换沿位置的角度数据，并将所述角度数据按照预设要求计算得到所述正交性和所述均匀性；

数据传输电路(144)，所述数据传输电路(144)分别与所述数据处理与计算电路(143)和所述计算机(16)连接，用于将接收的所述计算机(16)发送的所述启动指令输出至所述数据处理与计算电路(143)，并将接收的所述数据处理与计算电路(143)输出的所述均匀性和所述正交性输出至所述计算机(16)进行显示；

电机控制电路(145)，所述电机控制电路145分别与所述数据传输电路(144)和所述电机驱动电路(15)连接，用于将所述计算机(16)发送的所述启动指令输出至所述电机驱动电路(15)以控制所述直流电机(12)转动。

优选的，所述数据采集及控制电路(14)还包括：A/D采集电路(146)；

所述A/D采集电路(146)分别与所述被检增量式光电编码器(17)和所述数据传输电路(144)连接，用于采集所述被检增量式光电编码器(17)输出的两个所述方波信号的幅值，并通过所述数据传输电路(144)输出至所述计算机(16)。

优选的，所述基准编码器(13)的主轴通过联轴节(18)与所述被检增量式光电编码器(17)的主轴相连接。

优选的，所述被检增量式光电编码器(17)和所述基准编码器(13)分别通过电缆与所述数据采集及控制电路(14)相连接。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种增量式光电编码器精度检测系统，包括固定支架、直流电机、基准编码器、数据采集及控制电路、电机驱动电路和具有显示设备的计算机，直流电机带动基准编码器和被检增量式光电编码器同步转动。检测系统通过数据采集及控制电路采集基准编码器在被检增量式光电编码器输出的两个方波信号的各转换沿位置的角度数据，并将该角度数据按照预设要求计算得到被检增量式光电编码器正交性和均匀性，实现对被检增量式光电编码器的精度检测。可以看出，本发明采用基准编码器作为角度基准得到角度数据，相比现有技术将采集到的被检增量式光电编码器转过角度的时间作为角度数据而言，本发明实现了对被检增量式光电编码器的角位置误差的直接检测，从而避免了因电机转速不均匀或转速变化较大时而带来的检测误差，使检测结果更真实可信，有效提高了对被检增量式光电编码器的检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种增量式光电编码器精度检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种增量式光电编码器输出信号波形图；

图3为本发明实施例公开的一种数据采集及控制电路的结构示意图；

图4为本发明实施例公开的另一种增量式光电编码器精度检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种增量式光电编码器精度检测系统，以实现对被检增量式光电编码器的角位置误差的直接检测，避免因电机转速不均匀或转速变化较大时而带来的检测误差。

参见图1，本发明实施例提供的一种增量式光电编码器精度检测系统的结构示意图，检测系统包括：固定支架11、直流电机12、基准编码器13、数据采集及控制电路14、电机驱动电路15和具有显示设备的计算机16，其中，所述固定支架11具有上下两个平台，分别为位于第一水平面的第一平台111和位于第二水平面的第二平台112，所述第一水平面高于所述第二水平面；

具体的，被检增量式光电编码器17固定在第一平台111上，基准编码器13固定在第二平台112上，基准编码器13的主轴的一端与直流电机12相连接，该主轴的另一端与被检增量式光电编码器17的主轴相连接，被检增量式光电编码器17和基准编码器13分别与数据采集及控制电路14相连接，数据采集及控制电路14通过电机驱动电路15与直流电机12相连接，计算机16与数据采集及控制电路14相连接。

其中，被检增量式光电编码器17通过螺钉固定在第一平台111上；基准编码器13通过螺钉固定在第二平台112上。

增量式光电编码器精度检测系统的工作原理具体如下：

计算机16向数据采集及控制电路14发送启动命令，数据采集及控制电路14根据所述启动命令控制电机驱动电路15驱动直流电机12转动，直流电机12带动基准编码器13和被检增量式光电编码器17同步转动；

数据采集及控制电路14采集基准编码器13在被检增量式光电编码器17输出的两个方波信号的各转换沿位置的角度数据，并将所述角度数据按照预设要求计算得到被检增量式光电编码器17的正交性和均匀性，并输出至计算机16进行显示，从而完成对被检增量式光电编码器17的精度检测。

数据采集及控制电路14计算得到所述正交性和所述均匀性的过程包括：

数据采集及控制电路14接收被检增量式光电编码器17输出的第一方波信号A和第二方波信号B(参见图2)，以及基准编码器(13)输出的角度基准数据；

利用第一方波信号A和第二方波信号B以及角度基准数据，得到第一方波信号A中相邻两个周期的波峰对应的角度值a₁和角度值a₂、第二方波信号B的波谷与第一方波信号A波谷交错的角度值a₃、以及第二方波信号B的波峰与第一方波信号A波谷交错的角度值a₄；

J = \frac{2 \times | a_{1} - a_{2} |}{a_{1} + a_{2}} \times 100 % - - - (1);

Y = \frac{| a_{3} - (a_{3} + a_{4}) / 2 |}{(a_{3} + a_{4}) / 2} \times 100 % - - - (2) .

综上可以看出，本发明提供的增量式光电编码器精度检测系统，通过数据采集及控制电路14采集基准编码器13在被检增量式光电编码器17输出的两个方波信号的各转换沿位置的角度数据，并将该角度数据按照预设要求计算得到被检增量式光电编码器17正交性和均匀性，实现对被检增量式光电编码器17的精度检测。可以看出，本发明采用基准编码器13作为角度基准得到的角度数据，相比现有技术将采集到的被检增量式光电编码器17转过角度的时间作为角度数据而言，本发明实现了对被检增量式光电编码器17的角位置误差的直接检测，从而避免了因电机转速不均匀或转速变化较大时而带来的检测误差，使检测结果更真实可信，有效提高了对被检增量式光电编码器17的检测精度。

需要说明的是，数据采集及控制电路14还可以采集被检增量式光电编码器17输出的正弦波信号、余弦波信号，并利用正弦波信号和余弦波信号计算出直流电平变化率、相位角变化量、失真度以及幅值偏差等。

其中，被检增量式光电编码器17和基准编码器13分别通过电缆与数据采集及控制电路14相连接。

优选的，基准编码器13是一台24位增量式光电编码器，其精度为σ<1〞，分辨力为0.077〞。

优选的，直流电机(12)为直流无刷电机。

为进一步优化上述实施例，参见图3，本发明实施例提供的一种数据采集及控制电路的结构示意图，包括：被检增量式光电编码器数据采集电路141、基准编码器数据采集电路142、数据处理与计算电路143、数据传输电路144和电机控制电路145；

其中：

被检增量式光电编码器数据采集电路141与被检增量式光电编码器17相连接，用于采集被检增量式光电编码器17输出的第一方波信号A和第二方波信号B；

需要说明的是，被检增量式光电编码器数据采集电路141还可以对被检增量式光电编码器17输出的对零位脉冲宽度(零位脉冲参见图2中的Z)进行检测等。

基准编码器数据采集电路142与基准编码器13相连接，用于采集基准编码器13输出的角度基准数据；

数据处理与计算电路143分别与被检增量式光电编码器数据采集电路141和基准编码器数据采集电路142连接，用于采集基准编码器13在所述被检增量式光电编码器17输出的两个方波信号的各转换沿位置的角度数据，并将所述角度数据按照预设要求计算得到所述正交性和所述均匀性；

其中，数据处理与计算电路143计算得到被检增量式光电编码器17的正交性和均匀性的具体过程请参见上述。

优选的，数据处理与计算电路143为可编程逻辑器件。

数据传输电路144分别与数据处理与计算电路143和计算机16连接，用于将接收的计算机16发送的所述启动指令输出至数据处理与计算电路143，并将接收的数据处理与计算电路143输出的所述均匀性和所述正交性输出至计算机16进行显示；

电机控制电路145分别与数据传输电路144和电机驱动电路15连接，用于将计算机16发送的所述启动指令输出至电机驱动电路15以控制直流电机12转动。

为进一步优化上述实施例，数据采集及控制电路14还包括：A/D采集电路146；

A/D采集电路146分别与被检增量式光电编码器17和数据传输电路144连接，用于采集被检增量式光电编码器17输出的两个所述方波信号的幅值，并通过数据传输电路144输出至计算机16。

其中，A/D采集电路146还用于检测被检增量式光电编码器17的第一方波信号A的幅值U_a和第二方波信号B的幅值U_b(具体参见图2)。

参见图4，本发明另一实施例提供的一种增量式光电编码器精度检测系统的结构示意图，其中，基准编码器13的主轴通过联轴节18与被检增量式光电编码器17的主轴相连接。

可以理解的是，为实现固定支架11的固定，可以将固定支架11的底部固定在平台19上，同时，直流电机12、数据采集及控制电路(14)、电机驱动电路15和计算机16均可以放置在平台19上。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种增量式光电编码器精度检测系统，其特征在于，包括：固定支架(11)、直流电机(12)、基准编码器(13)、数据采集及控制电路(14)、电机驱动电路(15)和具有显示设备的计算机(16)，其中，所述固定支架(11)具有上下两个平台，分别为位于第一水平面的第一平台(111)和位于第二水平面的第二平台(112)，所述第一水平面高于所述第二水平面；

2.根据权利要求1所述的增量式光电编码器精度检测系统，其特征在于，所述数据采集及控制电路(14)计算得到所述正交性和所述均匀性的过程包括：

J = \frac{2 \times | a_{1} - a_{2} |}{a_{1} + a_{2}} \times 100 % - - - (1);

Y = \frac{| a_{3} - (a_{3} + a_{4}) / 2 |}{(a_{3} + a_{4}) / 2} \times 100 % - - - (2) .

3.根据权利要求1所述的增量式光电编码器精度检测系统，其特征在于，所述数据采集及控制电路(14)包括：

4.根据权利要求3所述的增量式光电编码器精度检测系统，其特征在于，所述数据采集及控制电路(14)还包括：A/D采集电路(146)；

5.根据权利要求1所述的增量式光电编码器精度检测系统，其特征在于，所述基准编码器(13)的主轴通过联轴节(18)与所述被检增量式光电编码器(17)的主轴相连接。

6.根据权利要求1所述的增量式光电编码器精度检测系统，其特征在于，所述被检增量式光电编码器(17)和所述基准编码器(13)分别通过电缆与所述数据采集及控制电路(14)相连接。