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基于增量式光电编码器的高精度位置检测技术研究

作　者: 陶仁浩
导　师: 罗福源
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 数字信号处理器现场可编程门阵列时间数字转换器增量式光电编码器电子学细分
分类号: TN762
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着数控技术朝着高速高精度方向不断发展，数控机床对光电编码器的位置检测精度提出了越来越高的要求。通过提高刻线密度来提高光电编码器分辨率的方法已经接近物理极限，迫切需要研究新的方法来提高光电编码器的位置检测精度。为此，在分析光电编码器的结构、工作原理以及国内外光电编码器细分技术现状的基础上，提出了两种提高光电编码器位置检测精度的电子学细分方法——模数转换法和时空转换法，并展开了下列研究：（1）采用高性能DSP和FPGA作为信号处理核心搭建了光电编码器高精度位置检测硬件电路，完成了高分辨率A/D与D/A转换、差分信号接收、光电隔离与高速数据传输接口等电路模块的设计与调试。（2）探索了基于锁相环（PLL）移相编码与粗、细计时相结合的时间数字转换（TDC）方法，通过Verilog HDL语言编程与仿真，实现了基于FPGA的纳秒级高精度时间检测，为采用时空转换法提高位置检测精度创造了条件。（3）通过软件编程完成了光电编码器原始信号的对中、单位化与鉴向预处理。在此基础上，一方面通过构造近似三角函数的方法实现了对光电编码器模拟信号的细分，另一方面利用物体在运动过程中具有惯性、速度不会突变的特点，通过高精度时间检测、当前速度检测与卡尔曼滤波估算，实现了对光电编码器脉冲信号的细分。（4）建立了DSP与PC机的USB数据传输通道与可视化测试界面，分别运用模数转换法和时空转换法进行了位置检测实验与误差分析，验证了所提出的方法能够有效提高光电编码器的位置检测精度。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-20
  1.1 课题背景  13-16
    1.1.1 光电编码器概述  13
    1.1.2 光电编码器的结构与工作原理  13-14
    1.1.3 光电编码器的分类  14-16
  1.2 光电编码器研究现状  16-18
    1.2.1 光学细分  16
    1.2.2 机械学细分  16-17
    1.2.3 电子学细分  17-18
  1.3 光电编码器发展趋势  18
  1.4 研究目的与研究内容  18-19
    1.4.1 研究目的  18
    1.4.2 研究内容  18-19
  1.5 论文结构与安排  19-20
第二章提高光电编码器精度的理论和方法  20-33
  2.1 电子学细分方法研究  20-26
    2.1.1 四倍频鉴相细分  20
    2.1.2 移相电阻链细分  20-22
    2.1.3 锁相倍频细分  22
    2.1.4 载波调制法  22-23
    2.1.5 幅值分割细分  23-25
    2.1.6 细分方法的比较与选择  25-26
  2.2 光电编码器精度提高的方法  26-31
    2.2.1 模数转换法  26-30
    2.2.2 时空转换法  30-31
  2.3 本章小结  31-33
第三章光电编码器信号处理硬件设计  33-51
  3.1 光电编码器信号处理需求分析  33-34
  3.2 硬件总体架构设计  34-35
  3.3 数据采集单元  35-36
    3.3.1 低精度光电编码器  35-36
    3.3.2 高精度光电编码器  36
  3.4 AD/DA 转换单元的硬件设计  36-44
    3.4.1 A/D 转换模块电路设计  36-40
    3.4.2 D/A 转换模块电路设计  40-41
    3.4.3 电源模块电路设计  41-42
    3.4.4 电路附属模块  42-44
  3.5 数据处理及上传单元  44-48
    3.5.1 DSP 芯片的选型  45
    3.5.2 DSP 最小系统设计  45-48
  3.6 逻辑设计及接口扩展单元  48-50
    3.6.1 FPGA 芯片的选型  48
    3.6.2 DSP 与 FPGA 的数据传输接口  48-50
  3.7 本章小结  50-51
第四章高精度计时方法与 FPGA 实现  51-65
  4.1 常用的时间测量方法  51-56
    4.1.1 数字计数器型 TDC  51-52
    4.1.2 模拟内插法  52-54
    4.1.3 时间-幅度变换法  54-55
    4.1.4 游标卡尺法  55
    4.1.5 抽头延迟线法  55-56
  4.2 基于 FPGA 的高精度计时原理  56-58
  4.3 粗计时的 FPGA 实现  58-60
    4.3.1 粗计时电路设计  58-60
    4.3.2 粗计时电路仿真  60
  4.4 细计时的 FPGA 实现  60-62
    4.4.1 细计时电路设计  61-62
    4.4.2 细计时电路仿真  62
  4.5 组合计时的 FPGA 实现  62-64
  4.6 本章小结  64-65
第五章光电编码器信号处理软件设计  65-77
  5.1 软件的总体设计方案  65-66
  5.2 光电编码器信号的预处理  66-70
    5.2.1 波形对中和单位化处理  66-68
    5.2.2 光电编码器的鉴向处理  68-70
  5.3 模数转换法的软件设计  70-71
  5.4 时空转换法的软件设计  71-74
  5.5 测试界面的设计  74-76
  5.6 本章小结  76-77
第六章提高光电编码器精度的实验与分析  77-85
  6.1 实验  77-81
    6.1.1 实验目的  77
    6.1.2 实验方法  77-78
    6.1.3 实验步骤  78
    6.1.4 模数转换法的实验结果  78-79
    6.1.5 时空转换法的实验结果  79-81
  6.2 分析  81-84
    6.2.1 模数转换法的误差分析  81-83
    6.2.2 时空转换法的误差分析  83-84
  6.3 本章小结  84-85
第七章总结与展望  85-87
  7.1 总结  85
  7.2 展望  85-87
参考文献  87-90
致谢  90-91
在学期间的研究成果及发表的学术论文  91

基于增量式光电编码器的高精度位置检测技术研究

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