光电轴角编码器细分技术的研究

论文摘要

光电轴角编码器是一种将角位置、角位移及角速度等物理量转换成电信号的精密位移传感器,广泛的应用于精密测量、自动控制等诸多领域。传统的编码器主要采用光度式测量,在码盘尺寸一定的情况下,分辨率越高,要求一个圆周内的刻线数越多,那么刻线宽度就会越细,过细的刻线一方面会造成透光量不足以致不能区分透光/不透光区域,另一方面也容易形成衍射现象导致信号串扰,这样就会影响编码器的正常工作。为了解决码盘尺寸和分辨率之间的矛盾,本论文提出了一种基于面阵探测器的绝对式轴角编码的检测技术。该技术能够在不改变码盘现有编码方式的基础上提高编码器的分辨率,并且有利于码盘的安装和调节。被LED照明的码盘经过成像物镜放大,放大后的码盘图像被面阵光电探测器接收,然后沿码盘的径向读取粗码,再利用探测器像素的空间均匀性沿码盘的切向对码盘的最小单元进行细分,最终得到由粗码和精码共同构成的角度信息。角度译码过程由FPGA为核心的处理电路完成,通过SCCB模块对面阵探测器进行配置之后,面阵探测器接收到的码盘图像经过二值化模块、粗码计算模块、细分计算模块处理之后,最终通过串口模块输出,从而实现了角度信息的实时处理。在系统搭建完毕之后,对于系统的工作条件、粗码的线性度进行了分析,在对工作条件进行分析时,主要研究了离焦度和光照度对测量情况的影响。为了对测量精度进行测量,引入了激光三角法对系统的测量结果进行分析。在实验中,系统粗码输出的绝对误差为0.0270°,细分之后的绝对误差为0.0031°。通过实验验证,该方案可以在原有编码器基础上将角分辨率由13位提高到16位。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 光电轴角编码器概述
• 1.1.1 光电轴角编码器的分类
• 1.1.2 光电轴角编码器的发展方向
• 1.2 课题的研究内容和意义
• 1.2.1 课题来源
• 1.2.2 课题内容和背景
• 第2章 基于面阵传感器的绝对轴角编码系统
• 2.1 系统总体介绍
• 2.2 系统工作原理
• 2.2.1 绝对码编码原理
• 2.2.2 测量和译码原理
• 2.3 器件选型及相关参数分析
• 2.3.1 光源
• 2.3.2 编码码盘
• 2.3.3 面阵探测器
• 2.3.4 成像物镜
• 2.3.5 主控芯片选型
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于FPGA的码盘解码系统设计
• 3.1 系统各部分硬件设计
• 3.1.1 数据采集接口设计
• 3.1.2 器件通讯接口设计
• 3.1.3 视频输出接口设计
• 3.1.4 电源设计
• 3.1.5 系统时钟设计
• 3.1.6 下载配置设计
• 3.2 FPGA设计原则
• 3.2.1 可编程逻辑的设计原则
• 3.2.2 基于QuartusⅡ的设计原则
• 3.3 FPGA内部工作模块
• 3.3.1 二值化模块
• 3.3.2 计数模块
• 3.3.3 SCCB控制模块
• 3.3.4 串口输出模块
• 3.3.5 细分模块
• 3.3.6 FIFO
• 3.3.7 误判处理模块
• 3.4 本章小结
• 第4章 角度测量及验证
• 4.1 实验系统简介
• 4.2 系统工作条件分析
• 4.2.1 光源照度对图像的影响
• 4.2.2 对焦状况对图像的影响
• 4.2.3 系统实验条件
• 4.3 粗码线性测试
• 4.4 测量精度测试
• 4.4.1 激光三角法简介
• 4.4.2 粗读精度测试
• 4.4.3 理论分辨率分析
• 4.4.4 细分分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 工作总结和工作展望
• 参考文献
• 附录
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果