高精度数显时栅传感器自动测试标定系统

论文摘要

在时栅传感器的研发过程中,由于没有足够的现有经验借鉴,面临多种新方案的选择,每一种方案,又面临多种材料、结构形式等多方面参数的选择,每改动一个参数,就要导致大量的实验论证工作;另外,高精度时栅传感器的研发工作,需要采集更多的数据来更好的反映原始误差,从而得到最大程度地接近真实曲线的拟合曲线,才有可能进一步提高时栅传感器的精度;在时栅从实验室研究成果到市场化的产品推广应用中存在不可避免的实际问题,即面对大批量、多品种需求而进行的大量实验标定工作导致的人力财力的大量消耗。上述过程中都涉及到了大量的实验工作,依靠以前的人工手动采集数据既不科学又不现实。在此背景下,本文作者在一项自然科学基金的资助下,针对圆分度时栅传感器开展了应用于《高精度数显时栅传感器自动测试标定系统》研究,在无人干预情况下实现了时栅的自动测试和标定工作,主要研究内容如下:1.设计了一套高精度自动定位系统,实现角度定位。采用ARM作为主控芯片,控制步进电机驱动回转工作台转动,工作台带动时栅和光栅传感器同时转过相同的角度,同时接收时栅传感器的角度反馈信号,形成高精度闭环控制,实现角度定位,并通过USB口和串口分别将时栅信号和作为基准的光栅信号送上位机进行处理。2.研究了步进电机的位置控制与速度控制算法,使系统实际定位精度能达到±1角秒。该系统除用于面向时栅传感器非线性误差的自动修正的开发外,相关的单元技术在其它领域中,如仪器校正、机械加工和制造业中均有广泛的应用前景。3.设计了上位机比较完善的测试系统软件,实现了全自动的数据采集和处理,初步实现了软件的智能化。在下位机控制下实现角度设定值的精确定位,定位后,将时栅数据和作为基准的光栅数据送上位机,在上位机软件中实现了数据的自动拟合,在无人干预的情况下完成了时栅传感器的非线性误差的自动修正和标定工作。综上所述,在高精度数显时栅传感器研发工作的迫切要求下,设计出的这套全自动测控系统对时栅传感器的产品化和市场化将产生积极的推动作用,其中步进电机控制的全反馈的构想与实现,对高精度数控时栅回转工作台的研发工作以及相关领域具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题的来源、目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 测控系统的工作原理及实验装置
• 2.1 测控系统的工作原理
• 2.2 实验装置设计
• 第三章 下位机硬件设计
• 3.1 ARM 控制器
• 3.2 电源电路
• 3.3 步进电机驱动电路
• 3.3.1 步进电机的特性
• 3.3.2 步进电机的选型
• 3.3.3 步进电机的驱动
• 3.3.4 控制器与驱动器接口电路
• 3.4 通信接口电路
• 3.4.1 RS-232 通信接口
• 3.4.2 USB 通信接口
• 3.5 ARM 外围电路
• 3.5.1 复位电路
• 3.5.2 调试测试接口电路
• 3.5.3 时钟电路
• 3.6 硬件抗干扰措施
• 第四章 下位机软件设计
• 4.1 系统定位流程
• 4.2 步进电机的运行控制
• 4.2.1 位置控制及算法
• 4.2.2 速度控制及算法
• 4.3 RS-232 通信
• 4.4 USB 通信
• 4.4.1 USB 协议简介
• 4.4.2 LPC214xUSB 固件程序设计思想
• 4.4.3 USB 通信流程
• 4.5 软件抗干扰措施
• 第五章 上位机软件设计
• 5.1 上位机程序流程
• 5.2 人机界面
• 5.3 误差数据的拟合
• 5.3.1 数据的拟合基本原理
• 5.3.2 数据拟合最小二乘法算法描述
• 5.4 串口数据的接收
• 5.5 USB 通信
• 5.5.1 USB 与主机的逻辑结构
• 5.5.2 Visual Basic 与USB 设备通信的设计与实现
• 5.6 功能软件设计
• 第六章 测试系统调试与实验
• 6.1 系统调试
• 6.1.1 功能模块测试
• 6.1.2 系统整机测试
• 6.2 实验结果与分析
• 6.2.1 电机定位速度和精度分析
• 6.2.2 联机测试结果与分析
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果