于 海，万秋华，卢新然，赵长海，梁立辉

(中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033)



光电编码器误差检测转台的动态精度标定

于 海*，万秋华，卢新然，赵长海，梁立辉

(中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033)

由于光电编码器动态检测转台的分辨率、精度和转速都比较高，传统检测手段很难精确标定该类转台的动态精度，故本文开展了转台动态精度标定方法的研究。首先，分析动态转台工作原理，指出了影响转台动态精度的主要因素。然后，研究了动态误差的主要特性，提出了一种基于动态重复性的转台动态精度标定方法。最后，设计了FPGA+USB的数据采集电路，实现了对转台动态精度的标定。对自行研制的转台进行了动态精度标定。标定结果显示：提出的动态精度标定方法能够实现对转台的标定，验证了该转台能够实现对被检编码器的动态检测，解决了研制动态转台时缺少动态检测精度标定方法的难题。

动态转台；光电编码器；误差检测；动态误差标定

1 引 言

随着科学技术的发展，光电编码器作为一种角度传感器在航空航天领域的应用越来越重要[1-4]。光电编码器不仅要在静态下保持高精度输出，还要在高转速下保证高精度输出。为了检测光电编码器的动态精度，本课题组设计了高精度动态转台。该转台采用高精度基准编码器实现对低精度小型光电编码器的动态检测，分辨率为1.23″，静态检测精度优于2″，转速为0.5～8 rad/s。

由于转台的分辨率和精度需优于被检编码器3～5倍以上才能实现对被检编码器的误差检测[5-6]，所以为了证明所设计的转台能够满足要求，并实现对转台的标定，需要首先对该转台的精度进行检测。目前，转台精度的静态精度标定通常采用多面棱体与激光自准直仪来完成，而动态检测精度的标定研究尚属空白。传统方法只能实现转台的静态精度检测，很难实现动态精度的检测。其原因在于：在检测该转台的动态精度时，传统方法不能在转台转速为8 rad/s的状态下对它进行精度标定，无法给出该转台能够实现被检编码器动态精度检测的重要证据。因此，转台动态精度检测方法的研究，是研制光电编码器动态转台和实现编码器动态检测的关键。

本文对转台动态精度标定方法进行了研究。首先对动态转台进行分析，提出影响动态精度的几点因素；然后，提出转台的动态检测精度标定方法；最后，设计了动态精度检测电路，并对某型号自研转台进行了动态精度标定。该动态精度检测电路成功实现了对该转台的动态精度标定，为提高动态转台的检测精度和光电编码器的批量生产提供了重要依据。

2 转台误差特征分析

误差是指实际测量结果与被测量真值之差[7]，其一般表达式为：

Δx(θ)=x(θ)-x′(θ)，

(1)

式中：x(θ)为实际测量结果，x′(θ)是被测量的真值。在光电编码器动态转台的标定中，测量误差是指转台输出的角度值x(θ)与真实转过角度x′(θ) 的差。

传统方法采用式(1)的原理对转台进行误差标定。这种标定手段多采用角度基准或多面棱体代替角度真值，可以实现较高的标定精度。但是，无论采用角度基准还是多面棱体检测法，都不容易实现较高转速下的误差检测。

动态误差与静态误差的区别主要体现在动态性、时变性、随机过程性和自相关性等性质上[9]。

时变性：本质上来说，动态误差是一个动态量，它随着检测时间的不同而变化，因此动态误差具有时变性；而静态误差是一个静态量，不具有时变性。

动态性：动态误差是指被测系统输入量为动态量时，输出结果产生的误差具有随时间而变化的性质；而静态误差是当被测系统的输入量为静态量时产生的误差，所以不具有动态性。

自相关性：动态误差包含大量的随机信息，这些信息具有自相关性，因此在不同时刻的动态误差的概率分布并非是独立的，而是彼此相关的；而在不同时刻重复测得的静态误差一般具有独立性。

随机过程性：动态误差是一个随机过程，所以可以采用处理随机过程的方法来处理动态误差。

根据动态误差的性质，这里将动态误差作为一个随时间变化的量。那么，在动态条件下的同一时刻内，动态误差是指在这个时刻测量到的值与真实值的差，即：

Δx(t)=x(t)-x′(t)，

(2)

式中：x(t)是t时刻读取到的数据，x′(t)是t时刻的真值，Δx(t)是动态误差，t是时间变量。

设转台转速为v，那么t时间处转台所转过的角度值φ(t)可以表示为：

φ(t)=vt.

(3)

所以t时刻真值x′(t)=φ(t)；t时刻的数据x(t) 可以直接读出。

为了消除读数误差，采用多次测量取平均值的方法来估计x′(t)，即：

(4)

式中：xi(t)为t时刻第i次测量的数值，N为测量次数。N越大，式(4)越能反映真实误差值。

3 动态转台检测精度的标定方法

在检测转台的动态检测精度时，将转台旋转一周所用的时间分为n等份，每一份的时间间隔为：

(5)

式中v为当前转台的旋转角速度。

重复测量N次，记录下每一周旋转过程中各个时间节点转台的输出数据。为了消除读数误差，对每次测量中相同时间节点的读数取平均值，即：

(6)

(7)

φ(n)=v·Tv·n.

(8)

为了进一步表征转台的动态检测精度，对En做标准差得到：

(9)

4 检测实验

4.1 光电编码器动态转台的工作原理

待标定的自研动态误差转台如图1所示。动态转台采用高精度基准光电编码器对低精度被检编码器进行角度数据对比，从而实现被检编码器的误差检测。按下计算机软件中的“开始检测”按钮，并设置好相应的转速，驱动电机将带动被检编码器和基准编码器同轴转动；系统电箱采集的两编码器的角度数据通过USB总线传输到计算机中；计算机软件对角度数据进行计算处理，得到被检编码器的精度数据。

该动态检测转台具有低成本、便捷化、多样本、快速化、全自动化等优点。

图1 光电编码器动态误差检测转台

4.2 采集电路设计

动态精度数据采集电路由现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)+USB组成，其原理如图2所示。

图2 数据采集电路原理图

采集电路的FPGA芯片采用XILINX公司生产的XC3S400。USB传输芯片采用Cypress公司生产的CY68013A。在数据传输时，电路为Slave FIFO模式，所以固件程序并不控制数据的传输，这样可以达到最大的传输速度，即48 Mb/s。

转台中的角度输出由同轴转动的基准编码器给出。基准编码器输出的两路正交方波信号A、B是相位相差1/4周期的两路正交方波信号，当基准编码器转过一个角度分辨率时正交方波信号变化1/4周期。同时在FPGA内部设计时间计算器，每隔时间Tv就对基准编码器的计数数据进行一次数据锁存，每一圈锁存n个数据。锁存完毕后，将数据传输给USB芯片的FIFO中进行上传，并在PC软件中进行处理。

4.3 采集实验

采用该数据采集卡检测本课题组设计的某型号动态转台的动态精度。实验时，只检测转速为8 rad/s 时的动态精度。每个圆周内取23个时间节点，那么时间间隔Tv≈0.005 4 s。共进行10次采集实验，实验数据如表1所示。

表1 动态误差检测结果(16进制)

表1中，20位角度数据是采用5位16进制数据表示的，最后一列是10次数据采集的平均值。每一个时间节点处的读数平均值和真实角度值分别如图3和表2所示。

根据式(9)得到本次检测转台的动态精度为：

σv=72.1″.

由此可知，转台的动态检测精度σv远远优于被检编码器的动态精度指标，因此该转台可以用来实现此类编码器的动态精度检测。

图3 转台检测误差图

5 标定精度分析

本文进行的转台动态检测精度检测是基于式(2)实现的。经过分析，该方法的检测精度主要受转速不稳定的影响。

采用时间t为动态检测误差的变化方向，会引入由于转速不稳定而产生的读数误差。在v转速下，设第i次检测时转台旋转t时刻后转过的角度读数值为Ai(t)，那么i与i-1、i+1与i检测的读数值偏差分别为：

ΔAi(t)=ΔAi(t)-ΔAi-1(t)，

(10)

ΔAi+1(t)=ΔAi+1(t)-ΔAi(t).

(11)

由于读数偏差具有随机性，当检测点数足够多时，对所有误差的偏差取平均值得到：

(12)

6 结 论

本文通过分析动态误差，提出了光电编码器动态检测转台动态检测精度的测量方法。基于该方法设计了FPGA+USB的数据采集电路，实现了对某型号自研转台的动态检测精度测量。实验结果表明，转台的动态检测精度为72.1″，能够实现被检编码器的动态检测。

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于 海(1987-)，男，吉林郭化人，博士，助理研究员，2009年于东北电力大学获得学士学位，2014年于中科院长春光机所获得博士学位，主要从事光电位移精密测量技术的研究。E-mail：yuhai5158@163.com

万秋华(1962-)，女，吉林长春人，博士，研究员，博士生导师，主要从事光电位移精密测量技术及高精度光电轴角编码器等方面的研究。E-mail：wanqh@ciomp.ac.cn

(本栏目编辑：曹 金)

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Calibration of dynamic precision for measurement platform of photoelectric encoder

YU Hai*， WAN Qiu-hua， LU Xin-ran， ZHAO Chang-hai， LIANG Li-hui

(Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics，ChineseAcademyofSciences，Changchun130033，China)

The dynamic measurement platforms for photoelectric encoders are characterized by higher resolution， higher accuracy， and higher rotation speeds， and traditional measurement methods are difficult to calibrate its dynamic measurement accuracy. So， this paper proposes a calibration method for the measurement platforms. The working principle of the platforms was analyzed， and some factors effecting the measuring accuracy of the platforms was pointed out. The main characteristics of dynamic errors were researched and analyzed and a dynamic calibration method for the platforms was introduced based on its dynamic repetition characteristics. Finally， a FPGA+USB data collection circuit was designed to use in the calibration method. The method was successfully utilized to calibrate some self-developed dynamic platforms. The results show that the method proposed is capable of calibrating dynamic rotation platforms， and verify that the measurement platform can implement the dynamic measurement of photoelectric encoders. The method solves the problem of dynamic calibration for dynamic rotation platforms.

dynamic platform； photoelectric encoder； error measurement； dynamic error calibration

2016-03-29；

2016-05-23.

国家自然科学基金资助项目(No.51605465)

1004-924X(2016)11-2699-06

TP212.1

A

10.3788/OPE.20162411.2699

*Correspondingauthor，E-mail：yuhai5158@163com