CN102650535A - 一种消除震动对增量式光学编码器测量影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种消除震动对增量式光学编码器测量影响的方法，以解决现有技术中增量式光学编码器抗震能力差的技术问题。该方法是在现有增量式光学编码器的基础上，将光学编码器的光电读头数量增加为四个，并将四个光电读头沿指示圆光栅盘圆周均匀安置，使各读头相对于圆心成90度分布。通过四个读头和AD转换电路及检相算法将四读头位置处的叠栅条纹相位解算出来，再以该四个特定位置的相位信息为基础，计算出标尺圆光栅盘震动方向和震动幅度，从而求出该震动产生的误差项并反代入光学编码器转动引起的叠栅条纹相位变化表达式，消除震动的影响。本发明极大地降低了震动时光学编码器的检相误差，提高了存在震动时光学编码器的测量精度。

Description

一种消除震动对增量式光学编码器测量影响的方法

技术领域

本发明涉及一种提高光学编码器测量稳定性的方法，具体涉及一种消除震动对增量式光学编码器测量影响的方法。

背景技术

光学编码器是将圆光栅叠栅条纹和光电转换技术相结合，将机械转动的角度值转换为数字信息量输出的一种现代传感器，是一种精密测量工具，属于光电器件，在诸多的测角工具中，光学编码器的测角精度最高，可以达到秒级。

增量式光学编码器具有两幅光栅圆盘，分别为标尺圆光栅盘和指示圆光栅盘，两光栅圆盘圆周刻有均匀光栅刻线，标尺圆光栅盘的刻线和指示圆光栅盘的刻线并不平行，而是存在着很小的倾角，这样，当两圆光栅盘存在相对转动时，两光栅盘的干涉场中会形成叠栅条纹(又称莫尔条纹)，光电读头将干涉场中某点光强转换为电信号，形成正弦波，通过测量正弦波的相位变化量即可得知两圆光栅的相对转动角度。因此，消除环境因素及噪声对该正弦波的影响，提高正弦波相位测量的精确度是角度测量的关键。

一般来说，生产厂家采用改进光学编码器的检相和细分方法、改进光栅刻线的加工工艺、改善照明***等方法来增强光学编码器的性能。目前，最佳的增量式光学编码器测量分辨力已经能够达到0.1″，测量精度能够达到0.036″(《光电轴角编码器发展现状分析及展望》，见《光学仪器》期刊第27卷第1期，2005年2月)。但是，高精度的光学编码器对安装误差和使用环境有很高的要求，如光电读头的安装位置、两光栅盘的安装偏心量、光学编码器使用温度环境、安装转轴的震动等因素限制了光学编码器的应用，使其在一些场合发挥不了高精度的性能。

增量式光学编码器基本上采用在光栅盘对径位置安装两个光电读头，在检相时对两读头的相位读数相加再除以2的方法来降低光学编码器偏心和震动的影响(《码盘偏心对叠栅条纹信号相位影响的理论分析》，见《光学学报》第23卷第8期，2003年8月)。另外，也有人采用更换光栅盘材质和改善光学编码器照明***的方法来增强光学编码器的抗震动适应性(《一种基于金属码盘新型绝对式光电轴角编码器》，见《传感技术学报》，第23卷第5期，2010年5月；国内专利99250599.2，《一种绝对式光电轴角编码器照明***》)，这些措施在震动幅度较小时取得了不错的抗震效果，但在震动幅度较大时，仍然不能够实现光学编码器的高精度性能。以圆光栅直径为50mm，光栅刻线数为16200，细分数为80的增量式光学编码器为例，当震幅超过了15μm时，上述措施便不能达到光学编码器的正常精度范围。

发明内容

本发明旨在提供一种消除震动对增量式光学编码器测量影响的方法，以解决现有技术中增量式光学编码器抗震能力差的技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种消除震动对增量式光学编码器测量影响的方法，采用四个光电读头，包括以下步骤：

(1)将四个光电读头沿指示圆光栅盘圆周均匀安置，使各读头相对于圆心成90度分布；

(2)由四个光电读头经A/D转换电路及检相算法将四个读头位置处的实测叠栅条纹相位解算出来；

(3)以步骤(2)得到的四个读头位置处的实测叠栅条纹相位为基础，计算出标尺圆光栅盘震动方向和震动幅度，进而求出因震动产生的相对于理想叠栅条纹相位的误差项；

(4)以步骤(3)所述误差项修正四个读头位置处叠栅条纹相位的平均值，按照修正后的平均值表达式进行计算，则基本消除了震动对叠栅条纹相位测量的影响；

设指示光栅和标尺光栅具有相同的光栅常数δ，指示圆光栅半径为R，各位置读头读出的实测叠栅条纹相位分别为p₁、p₂、p₃和p₄，

步骤(3)所述震动方向的计算式为

$\mathrm{\ϵ}=-\arctan \frac{\tan \frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_1-p_3)}{\tan \frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_2-p_4)};$

所述震动幅度的计算式为

$e_2=\frac{R\sqrt{1+{\tan }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_1-p_3)+{\tan }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_2-p_4)}-R}{\sqrt{{\tan }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_1-p_3)+{\tan }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_2-p_4)}};$

所述相对于理想叠栅条纹相位的误差项为

四个读头位置处的实测叠栅条纹相位的平均值为

步骤(4)所述修正后的平均值表达式为

上述步骤(2)中的检相算法是采用正切法解算四个读头位置处的实测叠栅条纹相位。实际上，常规的检相算法有多种，正切法只是其中一种，其他的检相算法也适用于这种采用误差反馈补偿测量结果的方法。

本发明的有益效果在于，极大地降低了震动时光学编码器的检相误差，提高了存在震动时光学编码器的测量精度，相对于当前普遍采用的对径读头读数法来说，能更有效地消除光学编码器标尺圆光栅盘偏心和震动的影响；在实际使用中，使光学编码器能够适应更大的安装轴震动，从而扩展了光学编码器的使用范围，为转轴震动较大时的角度精密测量提供了测量手段。同时，该方法也能放宽对光学编码器偏心调试的要求，降低了调试难度，使之在正常情况下，即震动不大时，也具有较大的应用价值。

附图说明

图1为本发明增量式光学编码器偏心震动分析模型；

图2为采用传统单读头时的测量相位误差；

图3为采用传统双读头时得到的合成相位的误差；

图4为采用四读头以传统测量方式得到的合成相位的误差；

图5为应用本发明四读头相位修正后的误差；

图6为本发明四读头修正和传统双读头光学编码器的重复测量精度对比(扭矩-扭转角测量重复精度曲线)；

具体实施方式

本发明是在现有增量式光学编码器的基础上，将光学编码器的光电读头数量增加为四个，并将四个光电读头沿指示圆光栅盘圆周均匀安置，使各读头相对于圆心成90度分布。通过四个读头和AD转换电路及检相算法将四读头位置处的叠栅条纹相位解算出来，再以该四个特定位置的相位信息为基础，计算出标尺圆光栅盘震动方向和震动幅度，从而求出该震动产生的误差项并反代入光学编码器转动引起的叠栅条纹相位变化表达式，消除震动的影响。

本发明技术方案的理论根据及误差项推导过程如下：

建立直角坐标系，坐标原点O为转轴固定机构中心，如图1增量式光学编码器偏心震动分析模型所示，O₁为指示圆光栅中心，O₂为标尺圆光栅中心，且指示光栅和标尺光栅具有相同的光栅常数δ，即相邻两栅线的夹角为δ。

每一栅线都有自己的相位，称之为叠栅相位，则圆光栅每转动一个δ角度，此相位变化2π，如图1所示，设指示光栅和标尺光栅相对于转轴转动中心的偏心量分别为e₁和e₂，偏心方向与x轴的夹角分别为α₀和ε，并设指示圆光栅的参考栅线与x轴平行，标尺光栅的参考栅线与x轴的夹角为θ₀。标尺圆光栅随转轴一同转动，当转轴旋转θ时，无论标尺圆光栅中心与转轴中心有无偏差，标尺光栅的参考栅线都会随之旋转θ。

增量式光学编码器读头D检测到的叠栅条纹信号的相位与在读头位置处参与形成叠栅条纹的指示光栅和标尺光栅的叠栅相位有关，设指示光栅栅线的叠栅相位为

标尺光栅栅线的叠栅相位为

则叠栅条纹信号的相位为：

设指示光栅不动，标尺光栅转动θ角度，则由几何关系，干涉场中任意一坐标点(x，y)处，有：

式中，分别为在参与该点叠栅条纹形成的指示光栅和标尺光栅的叠栅相位。

设指示圆光栅半径为R，读头位置与指示圆光栅中心的连线与指示光栅参考栅线的夹角为α，则读头坐标为：

X＝Rcosα+e₁cosα₀                    (4)

Y＝Rsinα+e₁sinα₀                    (5)

将读头坐标带入(2)式和(3)式中，得：

则读头检测的叠栅条纹相位为：

显然，若指示光栅和标尺光栅相对于转轴中心均无偏心，则e₁＝e₂＝0，α₀＝ε，叠栅条纹相位应为：

式(9)即为理想情况下，读头检测的叠栅相位。

设沿指示圆光栅盘四个读头与指示光栅参考栅线的夹角分别为α＝0、

α＝π和、

相位信息处理时采用各读头读数相加再除以4的方法，经过计算得：

其中： $S(e_1,e_2)=e_1^2\sin 2{\mathrm{\α}}_0+e_2^2\sin 2\mathrm{\ϵ}-2e_1{e}_2\sin (\mathrm{\ϵ}+{\mathrm{\α}}_0)---\left(11\right)$

$C(e_1,e_2)=e_1^2\cos 2{\mathrm{\α}}_0+e_2^2\cos 2\mathrm{\ϵ}-2e_1{e}_2\cos (\mathrm{\ϵ}+{\mathrm{\α}}_0)---\left(12\right)$

略去e₁和e₂四阶无穷小量，则：

故在e₁和e₂不大的情况下，采用沿指示圆光栅圆周间隔90°分布的四个读头读数相加再除以4的方法也可以有效地消除光学编码器的偏心误差。

当光学编码器装调完成后，e₁的大小不随转轴转动而变化，只要保证装调质量，可以将e₁修正得很小，e₂随光学编码器的震动而变化，其值不定，故式(8)可写为：

式(10)可写为：

将α＝0、

α＝β和、

代入式(10)，且设各位置读头读出的相位分别为p₁、p₂、p₃和p₄，则有：

$\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0=\arctan \frac{-e_2\sin \mathrm{\ϵ}}{R-e_2\cos \mathrm{\ϵ}}+\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}{p}_1---\left(16\right)$

$\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0=\arctan \frac{R-e_2\sin \mathrm{\ϵ}}{-e_2\cos \mathrm{\ϵ}}+\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}{p}_2-\frac{\mathrm{\π}}{2}---\left(17\right)$

$\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0=\arctan \frac{e_2\sin \mathrm{\ϵ}}{R+e_2\cos \mathrm{\ϵ}}+\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}{p}_3-\mathrm{\π}---\left(18\right)$

$\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0=\arctan \frac{R+e_2\sin \mathrm{\ϵ}}{e_2\cos \mathrm{\ϵ}}+\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}{p}_4-\frac{3\mathrm{\π}}{2}---\left(19\right)$

联立式(16)～式(19)，可解得：

震动方向： $\mathrm{\ϵ}=-\arctan \frac{\tan \frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_1-p_3)}{\tan \frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_2-p_4)}---\left(20\right)$

震动幅度： $e_2=\frac{R\sqrt{1+{\tan }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_1-p_3)+{\tan }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_2-p_4)}-R}{\sqrt{{\tan }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_1-p_3)+{\tan }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_2-p_4)}}---\left(21\right)$

采用四读头相位信号相加再除以4的方法计算出的叠栅相位相对与理想情况下的叠栅相位，即

相对于理想叠栅相位

的相位误差为：

将解算出的震动方向和震动幅度代入式(22)及得到相位误差项，用该误差项来修正

可得到当e₁很小时，指示圆光栅偏心修正后的叠栅相位：

在实际应用中，首先将四个读头沿指示圆光栅盘圆周成90度均匀安装；然后在光学编码器标尺圆光栅盘转动时，在某一时刻，记录四读头的检相结果p₁、p₂、p₃和p₄，通过式(20)～(22)分别计算出震动方向、震动幅度和震动误差项；再将p₁、p₂、p₃和p₄相加并除以4得到

最后通过式(23)得到修正后的叠栅相位。通过与前一时刻光学编码器的叠栅相位比较，得出标尺圆光栅盘的转动角度。

为了进一步说明该方法的效能，设计了一套试验模型进行仿真。设光学编码器直径为50mm，光栅常数为0.2mrad，标尺圆光栅偏心量e₂为20μm，指示圆光栅偏心量e₁为2μm，θ为标尺光栅转动角度，转动范围为0～2π，当指示圆光栅偏心角度α₀从0～2π之间变化时，计算单读头、双读头、四读头和四读头修正后的检相误差。

单读头读出的相位误差

如图2所示。

对径读头(双读头)读数相加再除以2后，合成相位的误差

如图3所示。

四读头读数相加再除以4后，合成相位的误差

如图4所示。

采用式(22)对四读头合成相位进行误差修正后，修正后的相位误差如图5所示。

从图2～图4可以看出，单读头读出的相位误差较大，达到了10rad量级，在实际工程中基本不可使用。同样条件下，对径读头读数相加再除以2后，合成相位的误差在10^-2rad量级，在精度要求不是很高的情况下，双读头即能满足要求。采用四读头读数后，相位误差在10^-9rad量级，相对于双读头，精度提高了10⁷倍，即在同样精度要求下，采用四读头法可降低对光学编码器偏心量的调试要求。

采用式(22)对四读头读数相位进行修正后，可将本次仿真条件下的振动影响误差量级减小到10^-12rad，同时，由于光学编码器安装轴的振动可视为e₁的随机变化，四读头法消除了e₁的影响，故消除了光学编码器安装转轴震动对测量的影响。

本发明的实验验证

由于光学编码器的测角精度是测角仪器中最高的，无法采用其他仪器对其测量精度进行标定，即无法采用其他仪器对该专利方法和普通方法的测角误差进行标定，为说明该方法的实际效用，此处列举一应用实例。

在一转轴扭转角测量***中，在转轴两端分别装配一套光学编码器，光学编码器标尺光栅盘固连在转轴上随转轴一起转动，指示光栅安装在转轴支撑架上，对转轴加载不同的扭矩，通过两套光学编码器标尺圆光栅盘旋转角度之差来计算转轴的扭转角。测试步骤如下：

(1)在转轴两端固定位置处安装调试好的对径读头光学编码器；

(2)在转轴转动的某一时刻，采用正切法对各读头的正弦波相位进行检相，将两读头的相位相加除以2作为叠栅条纹的相位；

(3)对转轴加载不同的扭矩，在不同加载扭矩下，计算出两套光学编码器的叠栅条纹相位差，与无扭矩加载时的相位差比较，换算为转轴的扭转角；

(4)将两套光学编码器的读头均换为均匀分布的四读头，调试好并安装在原位置；

(5)在转轴转动的某一时刻，采用正切法计算四读头的检相结果，通过式(20)～(22)计算此时的震动方向、震动幅度和震动误差项，并修正到四读头相位的平均值中，得到叠栅条纹的信号；

(6)对转轴加载不同的扭矩，在不同加载扭矩下，计算出两套光学编码器的叠栅条纹相位差，与无扭矩加载时的相位差比较，换算为转轴的扭转角；

(7)相对于扭转角的理论值，比较两种方法的测量精度。

此处，转轴与支撑架之间不采用密珠轴承，轴承钢珠间隙较大，导致转轴在转动时存在振动，这样能够更好地对比体现增量式光学编码器的消震效果。采用传统双读头和本发明四读头光学编码器时，其部分测试数据如表1所示，测量重复精度如图6所示。

表1  修正后光学编码器的扭矩角测量值

在该扭转角测量***中，影响扭转角测量精度的因素除了光学编码器自身测量精度外，还有扭转角的长度误差、直径误差、加载扭矩误差等。从表1和图6中可以看出，采用双读头光学编码器读取转轴扭转角时，其最大测量误差接近于50″，而四读头修正后光学编码器能将测量误差控制在10″以内，可见四读头法在消除光学编码器偏心和振动上有明显的功效。

Claims (2)

1.一种消除震动对增量式光学编码器测量影响的方法，采用四个光电读头，包括以下步骤：

(1)将四个光电读头沿指示圆光栅盘圆周均匀安置，使各读头相对于圆心成90度分布；

(2)由四个光电读头经A/D转换电路及检相算法将四个读头位置处的实测叠栅条纹相位解算出来；

(3)以步骤(2)得到的四个读头位置处的实测叠栅条纹相位为基础，计算出标尺圆光栅盘震动方向和震动幅度，进而求出因震动产生的相对于理想叠栅条纹相位的误差项；

(4)以步骤(3)所述误差项修正四个读头位置处叠栅条纹相位的平均值，按照修正后的平均值表达式进行计算，则基本消除了震动对叠栅条纹相位测量的影响；

设指示光栅和标尺光栅具有相同的光栅常数δ，指示圆光栅半径为R，各位置读头读出的实测叠栅条纹相位分别为p₁、p₂、p₃和p₄，

步骤(3)所述震动方向的计算式为

$\mathrm{\ϵ}=-\arctan \frac{\tan \frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_1-p_3)}{\tan \frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_2-p_4)};$

所述震动幅度的计算式为

$e_2=\frac{R\sqrt{1+{\tan }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_1-p_3)+{\tan }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_2-p_4)}-R}{\sqrt{{\tan }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_1-p_3)+{\tan }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\π}}(p_2-p_4)}};$

所述相对于理想叠栅条纹相位的误差项为

四个读头位置处的实测叠栅条纹相位的平均值为

步骤(4)所述修正后的平均值表达式为

2.根据权利要求1所述的消除震动对增量式光学编码器测量影响的方法，其特征在于：所述检相算法是采用正切法解算四个读头位置处的实测叠栅条纹相位。

Images