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高速矩阵光电编码器的研究

作　者: 杜森垚
导　师: 曹国华
学　校: 长春理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 光电编码器矩阵编码盘高速数据采集高速通讯 USB接口芯片 DSP
分类号: TN762
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

光电轴角编码器作为一种集光、机、电于一体的角位置传感器,具有分辨率高、测量精度高、形式多样等优点,被认为是一种较为理想的光电角位置传感器,已广泛应用于现代工业、航天航空等领域。随着控制技术的发展和高精密测量需要的增长,光电轴角编码器不断地致力于向小型化、高精度、高分辨率、高频响方向的研究与突破。本文对高速矩阵光电编码器进行研究：进行了光电轴角编码器的结构设计,重点介绍了主轴系统、光电照明及接收元件的设计和选材。对矩阵光电编码盘的码道刻划方式及矩阵码的译码和精粗校正原理进行了研究,推导出矩阵译码及精粗校正的逻辑方程组,进而设计了13位矩阵编码盘。采用矩阵编码方式,可在很大程度上减小编码盘径向尺寸,有利于高位光电编码器的小型化。对高速矩阵光电编码器的数据采集及处理系统进行了设计,以DSP为主控芯片,对系统进行整体控制,并完成对信号的采集及细分校正等高速运算处理,缩短了数据运算处理周期,提高了系统响应速度；选用高性能A/D转换器对光电信号进行A/D采样和传输,简化了模／数转换电路的硬件空间,提高了系统的稳定性和可靠性；采用CPLD代替传统微处理器外围大量的集成电路,并在CPLD内完成矩阵码的译码,节省了系统的硬件空间,减少了工作时间；选择基于DSP和专用接口芯片的USB通讯,实现DSP与上位机间数据的高速实时传输。该系统实现了光电编码器的高速信号采集与处理,可以大大提高系统的响应速度。进行了光电编码器的误差分析,在光电信号质量和软件细分等方面系统地分析了光电编码器的误差原因,研究了细分误差的计算方法,考虑到数字信号处理器强大的数据处理能力,介绍了利用离散傅立叶变换进行编码器细分误差计算与补偿的方法。最后对高速矩阵编码器进行了精度检测,21位高速矩阵编码器理论分辨率0.618”,精度检测结果均方根σ=1.89”,可以满足角位移动态检测和实时控制要求。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
目录  6-8
第一章绪论  8-13
  1.1 引言  8
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  8-10
    1.2.1 光电编码器的发展历史  8-9
    1.2.2 研究现状  9-10
    1.2.3 发展趋势  10
  1.3 论文研究目的和内容  10-13
第二章高速矩阵编码器的结构设计  13-25
  2.1 光电编码器结构设计原则  13-14
  2.2 主轴系统  14-22
    2.2.1 主轴系统设计的基本原则及轴系的基本概念  14-17
    2.2.2 主轴系统的分类  17-18
    2.2.3 全滚动式轴系  18-22
  2.3 照明和接收系统  22-25
    2.3.1 照明系统  22-23
    2.3.2 接收部分  23-25
第三章光电编码盘的设计  25-40
  3.1 光栅莫尔条纹技术  25-27
    3.1.1 莫尔条纹的形成  25
    3.1.2 光栅信号  25-26
    3.1.3 莫尔条纹的特点  26-27
  3.2 传统光电编码盘  27-29
    3.2.1 二进制编码盘的表示方式  28
    3.2.2 循环码盘的表示方式  28-29
  3.3 矩阵编码盘的设计  29-35
    3.3.1 矩阵编码盘的码道设计  29-31
    3.3.2 光电读数头的安置  31-32
    3.3.3 矩阵码译码原理  32-33
    3.3.4 粗码、精码和狭缝设计  33-34
    3.3.5 校正码和校正原理  34-35
  3.4 13位矩阵光电编码盘的设计  35-40
    3.4.1 13位矩阵编码盘码道及读数头的设计  35-37
    3.4.2 矩阵译码原理  37-39
    3.4.3 13位矩阵编码器的校止原理  39-40
第四章高速矩阵编码器的信号采集与处理系统设计  40-55
  4.1 系统硬件设计  40-49
    4.1.1 系统主要芯片的选择  41-42
    4.1.2 数字信号处理器TMS320VC5402  42-43
    4.1.3 信号放大与整形  43-44
    4.1.4 基于DSP的高速A/D采样  44-46
    4.1.5 基于CPLD的高速矩阵译码  46
    4.1.6 基于DSP和专用接口芯片的USB高速数据通讯  46-48
    4.1.7 电路噪声抑制和抗干扰问题分析  48-49
  4.2 软件程序设计  49-55
    4.2.1 A/D转换子程序设计  50
    4.2.2 计算法细分及精码细分子程序  50-53
    4.2.3 USB数据通讯程序设计  53-54
    4.2.4 上位机程序设计  54-55
第五章高速矩阵光电编码器的误差分析  55-67
  5.1 理论误差  55
  5.2 长周期分度位置误差  55-58
    5.2.1 误差影响因素  55-57
    5.2.2 长周期误差因素对光电信号的影响  57-58
  5.3 细分误差  58-61
    5.3.1 莫尔条纹光电信号质量引起的细分误差  58-60
    5.3.2 A/D转换器引起的细分误差  60-61
  5.4 细分误差的计算与补偿  61-67
    5.4.1 传统lissajou图形观察法评估细分误差  61-62
    5.4.2 莫尔条纹信号的傅立叶变换  62-64
    5.4.3 光电编码器细分误差计算与补偿问题分析  64-67
第六章高速矩阵光电编码器精度检测  67-70
  6.1 编码器精度检测方法  67-68
  6.2 高速矩阵编码器的精度检测结果  68-70
结论  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-73

高速矩阵光电编码器的研究

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