光电编码器的信号误差补偿和故障诊断研究

论文摘要

近年来,随着航空航天事业的快速发展,在空间激光通信等一些特殊系统中,为了实现对目标的精确定位、跟踪,对测量技术提出了很高的要求。光电编码器作为一种高精度测量设备,在这些系统中能够精确地输出位置和速度信息。但由于其机械结构的特殊性和传统译码电路的局限性,当环境因素十分恶劣时,编码器可靠性往往很难保证。本文根据空间光通信的实际需要,对光电编码器进行了信号补偿和故障诊断两个方面的研究。首先,根据实际中选用的光电编码器,对其工作原理进行了详细阐述,从机械结构的角度分析了轴系对编码器精度的影响。其次,对传统的光电编码器译码系统中存在的常见问题进行了改进,完成了新型译码系统的硬件设计和软件编写,并对其性能进行了测试,经调试能够实现23位无跳码。同时,深入研究了影响光栅信号的关键性指标。从等幅性、直流漂移量、正弦性和正交性四个方面进行了定量分析,并对造成的各种误差提出了相应的补偿方法:通过利用译码电路实现对幅值偏差和直流漂移量的自适应补偿,用神经网络自适应滤波器来消除谐波信号,对正交性偏差利用信号点积测量及相量校正的方法来完成补偿。经过仿真调试,有效的改善了光栅信号的质量。再次,考虑到现有光电编码器的码盘大多是玻璃材质,当受到震动等因素影响时,容易出现破损。针对此问题提出了一种基于希尔伯特-黄变换的码道故障辨识方法,通过仿真测试,该方法可以检测出各个码道是否发生故障。最后,根据获得的故障信息,如果只是某一段码道损坏时,可以利用相邻码道之间的函数关系,用好的码道推算出故障码道信息;如果码盘多处损坏时,根据绝对式和增量式光电编码器工作原理,设计出只利用好的码道来使编码器工作,这在一定程度上提高了光电编码器的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外现状和发展趋势
• 1.3 面临的问题
• 1.4 本论文主要内容
• 第2章 光电编码器工作原理及其精度分析
• 2.1 引言
• 2.2 绝对式光电编码器的工作原理
• 2.2.1 编码器译码原理
• 2.2.2 编码器校正原理
• 2.2.3 莫尔条纹信号的细分技术
• 2.3 光电编码器精度分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 光电编码器译码系统设计及性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 光电编码器译码系统的硬件实现
• 3.2.1 粗码信号处理原理
• 3.2.2 中精码、精码信号处理原理
• 3.2.3 编码器CAN总线接口实现
• 3.2.4 编码器辅助电路实现
• 3.3 绝对式光电编码器译码系统的软件实现
• 3.3.1 编码器译码电路的软件设计
• 3.3.2 编码器译码系统CAN总线通信接口的软件实现
• 3.3.3 编码器译码系统串行总线通信接口的软件实现
• 3.4 译码系统性能分析
• 3.4.1 译码系统对信号幅值的补偿
• 3.4.2 译码系统对直流电平漂移量的补偿
• 3.5 本章小结
• 第4章 编码器光栅信号的误差分析和补偿研究
• 4.1 引言
• 4.2 光栅信号正弦性影响
• 4.2.1 光栅信号正弦性误差分析
• 4.2.2 光栅信号正弦性误差补偿研究
• 4.2.3 仿真结果分析
• 4.3 光栅信号正交性影响
• 4.3.1 光栅信号的正交性误差分析
• 4.3.2 光栅信号的正交偏差补偿研究
• 4.3.3 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 光电编码器码道故障诊断方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 希尔伯特-黄变换（HHT）特征提取
• 5.2.1 固有模态函数（IMF）获取
• 5.2.2 希尔伯特（Hilbert）变换
• 5.3 编码器的码道故障特征提取
• 5.4 各类码道故障解决方法
• 5.4.1 精码道故障解决方法
• 5.4.2 粗码道故障解决方法
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢