[發(fā)明專利]一種高分辨率高精度雙光電編碼器補償細(xì)分裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710358482.1
• 申請日: 2017-05-19
• 公開（公告）號: CN107421569B
• 公開（公告）日: 2019-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉磊;江升;韓順利;項國慶;吳威;宋平;李志增;楊鵬;張冰;杭棟棟
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所
• 主分類號: G01D5/347
• 分類號: G01D5/347
• 代理公司: 37221 濟(jì)南圣達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 張勇

本發(fā)明公開了一種高分辨率高精度雙光電編碼器補償細(xì)分裝置及方法，裝置包括光電編碼盤、電機(jī)、雙光電讀數(shù)器和細(xì)分差值模塊，光電編碼盤的旋轉(zhuǎn)主軸與旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行同軸固定，電機(jī)帶動光電編碼盤的旋轉(zhuǎn)，雙光電讀數(shù)器的發(fā)光裝置發(fā)出的光線被光電編碼盤的狹縫進(jìn)行斬波，感光裝置將形成的透光和擋光的信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的正弦模擬電信號，細(xì)分插值模塊對其進(jìn)行高倍細(xì)分，利用兩路光電編碼信號的相位關(guān)系的差別進(jìn)行采樣，同時進(jìn)行編碼信號的抖動補償。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高分辨率高精度雙光電編碼器補償細(xì)分裝置及方法。

背景技術(shù)

莫爾條紋對柵距起到了放大作用，傳感器運動一個柵距的大小，光電接收電路就會產(chǎn)生一個正弦波電信號，通過插值獲得優(yōu)于一個柵距的分辨率，提高測量系統(tǒng)的分辨率，這是研究莫爾條紋細(xì)分技術(shù)的根本出發(fā)點。二十世紀(jì)六七十年代以來，隨著柵式位移傳感器的廣泛應(yīng)用，莫爾條紋細(xì)分技術(shù)成為國內(nèi)外柵式位移傳感器生產(chǎn)廠商和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业难芯繜狳c，各式各樣的細(xì)分方法層出不窮，主要包括光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分三大類。其中光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分對機(jī)械制造精度和硬件要求較高，所以工藝難度大，這對于位移測量系統(tǒng)的小型化、成本控制和提高可靠性等都是不利的。常用的電子細(xì)分方法有：移相電阻鏈法、幅值分割細(xì)分法、載波調(diào)制鑒相細(xì)分法、鎖相細(xì)分法等。

基于硬件實現(xiàn)的幅值分割細(xì)分方案是僅僅依靠電壓比較實現(xiàn)幅值分割，在高倍細(xì)分時細(xì)分電路復(fù)雜，需要很多電壓比較芯片和復(fù)雜的后續(xù)處理電路，系統(tǒng)的測量精度受電子器件精度影響大，不適于高倍細(xì)分的場合。

載波調(diào)制鑒相細(xì)分法的本質(zhì)是利用信號中包含的相位信息。將莫爾條紋信號經(jīng)相位調(diào)制處理加載到載波上，通過與基準(zhǔn)信號比相，測得時間信號相位，根據(jù)相位角大小確定細(xì)分脈沖個數(shù)，最終推算出位移量載波調(diào)制鑒相細(xì)分法可以獲得較高的細(xì)分倍數(shù)，通常可以實現(xiàn)細(xì)分?jǐn)?shù)200-1000，該方法既可以進(jìn)行動態(tài)測量，也可用于靜態(tài)測量，對運動的恒速性要求較低。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)改變測量的精度和分辨率，提高系統(tǒng)的靈活性，擴(kuò)大了細(xì)分方案的應(yīng)用范圍。但是該細(xì)分方法對莫爾條紋質(zhì)量要求較高，一般要求對信號進(jìn)行預(yù)處理再進(jìn)行細(xì)分，否則測量誤差較大。另外，細(xì)分方法要求引入的載波信號高于最大光柵輸出信號頻率一定倍數(shù)，因此會受限制于傳感器最大運動速度。

鎖相倍頻細(xì)分同樣利用是信號包含的相位信息。鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器組成，分頻器是細(xì)分環(huán)節(jié)，細(xì)分倍數(shù)由分頻系數(shù)決定。鎖相環(huán)路實現(xiàn)對輸入莫爾條紋信號的n倍頻，即輸入莫爾條紋信號相位變化2π/n，增量式光電編碼器莫爾條紋信號細(xì)分方法研究壓控振蕩器輸出一個周期信號，實現(xiàn)n倍細(xì)分。鎖相細(xì)分用簡單的電路獲得高倍細(xì)分，并且環(huán)路濾波器對信號噪聲有良好的抑制能力，因此對信號的質(zhì)量要求不高。但鎖相環(huán)路對輸入信號鎖相細(xì)分用簡單的電路獲得高倍細(xì)分，并且環(huán)路濾波器對信號噪聲有良好的抑制能力，因此對信號的質(zhì)量要求不高。但鎖相環(huán)路對輸入信號的頻率穩(wěn)定性要求較高，即要求傳感器勻速運動。另外，鎖相環(huán)輸出信號是標(biāo)量，不能判別運動方向，并且只能應(yīng)用于動態(tài)測量，因此該細(xì)分方法在應(yīng)用上受到很大限制。

高頻時鐘脈沖細(xì)分法，時鐘脈沖細(xì)分方法的研究對象是方波信號，思想是“利用空間脈沖對高頻時間脈沖進(jìn)行瞬時標(biāo)定，再利用采樣時刻高頻時間脈沖完成對空間脈沖的實時細(xì)分”。依據(jù)運動過程中速度連續(xù)性特征，結(jié)合高精度定時方法，對空間信號脈寬進(jìn)行前瞻和預(yù)測，將位移測量轉(zhuǎn)化為對時間的精確測量。這種方法的問題在于對速度的精確估計，尤其是第一個莫爾條紋信號周期沒有可供預(yù)測的歷史數(shù)據(jù)，細(xì)分方法失效。因此，時鐘脈沖細(xì)分方法只適合應(yīng)用于速度連續(xù)性較好的場合，應(yīng)用受到很大限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種高分辨率高精度雙光電編碼器補償細(xì)分裝置及方法，本發(fā)明具有工藝難度小、分辨率高、精度高、成本低和集成度高的優(yōu)點。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：