王凱旋，呂英俊，王亞洲，李合意，于 海

(1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250000；2.長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司測(cè)試與通信技術(shù)研究室，吉林長(zhǎng)春 130000；3.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033)

0 引言

光電編碼器作為一種能夠?qū)⑥D(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字化角度信息的測(cè)量裝置，以其高精度、高分辨力、高可靠性而被廣泛應(yīng)用[1-3]。在出廠前對(duì)編碼器產(chǎn)品的測(cè)試，是測(cè)試產(chǎn)品性能的重要環(huán)節(jié)。

目前對(duì)于光電編碼器的誤差測(cè)試方法主要包括：角度基準(zhǔn)標(biāo)定法和多面棱體標(biāo)定法[4-6]。其中，多面棱體標(biāo)定法采用多面棱體與被測(cè)光電編碼器主軸同軸連接，并由激光自準(zhǔn)直儀對(duì)其轉(zhuǎn)角進(jìn)行標(biāo)定。這種方法適用于對(duì)高精度和高分辨率的被測(cè)編碼器誤差標(biāo)定。角度基準(zhǔn)標(biāo)定法是采用高精度的角度基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)光電編碼器的誤差標(biāo)定，這種方法適用于分辨率不高的被測(cè)產(chǎn)品。由于小型光電編碼器的分辨率一般不高于16位，傳統(tǒng)方法對(duì)于小型產(chǎn)品的誤差標(biāo)定多采用角度基準(zhǔn)標(biāo)定法。將被測(cè)光電編碼器與角度基準(zhǔn)同軸連接，通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)采樣點(diǎn)的誤差采集。采用手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)方法，完成被測(cè)光電編碼器的誤差標(biāo)定非常耗時(shí)耗力；人工記錄誤差數(shù)據(jù)存在一定的讀數(shù)誤差；高精度的角度基準(zhǔn)一般體積龐大且笨重，不適合攜帶和移動(dòng)。

文獻(xiàn)[7-10]在光電編碼器誤差標(biāo)定上做出了研究。但是這些檢測(cè)方法大多只適合在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法應(yīng)用在工作現(xiàn)場(chǎng)。急需開(kāi)展簡(jiǎn)單易行、精確可靠、便攜的光電編碼器誤差標(biāo)定技術(shù)研究。

為提高誤差標(biāo)定效率，本文研制了一種高分辨便攜轉(zhuǎn)臺(tái)。首先，采用圖像角位移識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)了高精度、高分辨率的角度基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)小體積的角度基準(zhǔn)設(shè)計(jì)；然后，采用直流電機(jī)帶動(dòng)被測(cè)編碼器與角度基準(zhǔn)同軸連接，搭建了光電編碼器誤差標(biāo)定系統(tǒng)。最后，根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)各任務(wù)函數(shù)，并基于嵌入式操作系統(tǒng)μc/os對(duì)任務(wù)函數(shù)進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定位、誤差標(biāo)定、顯示及人機(jī)交互。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)的分辨率為0.15″(23位)，不確定度為4.63″。轉(zhuǎn)臺(tái)能夠?qū)Ψ直媛什桓哂?6位的小型光電編碼器產(chǎn)品進(jìn)行誤差標(biāo)定。所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)具有便攜、易操作、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足批量生產(chǎn)時(shí)對(duì)光電編碼器的快速誤差標(biāo)定需求。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 轉(zhuǎn)臺(tái)的搭建

設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)是面向小型絕對(duì)式光電編碼器產(chǎn)品的誤差標(biāo)定環(huán)節(jié)的。小型被測(cè)編碼器的分辨率一般不高于16位，精度不低于60″。綜合考慮，角度基準(zhǔn)標(biāo)定法非常適用于對(duì)本文中被測(cè)光電編碼器的誤差標(biāo)定。采用角度基準(zhǔn)標(biāo)定法設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)原理如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)原理圖

工作時(shí)，直流電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與角度基準(zhǔn)連接，用以控制轉(zhuǎn)動(dòng)。被測(cè)編碼器通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)與角度基準(zhǔn)同軸連接。當(dāng)電機(jī)控制角度基準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被測(cè)編碼器與角度基準(zhǔn)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂齐娤漭敵鯬WM方波控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)采集被測(cè)編碼器和角度基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，做差后得到誤差數(shù)據(jù)，并將其顯示在液晶屏幕上。

1.2 角度基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的誤差標(biāo)定方法中，采用高精度光電編碼器作為角度基準(zhǔn)。但是傳統(tǒng)的高精度編碼器具有較大的體積，并不適用于便攜裝置。圖像角位移識(shí)別技術(shù)是一種角度測(cè)量技術(shù)，它采用圖像傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)定光柵上標(biāo)線的識(shí)別，進(jìn)轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)“譯碼”和“細(xì)分”的運(yùn)算。由于采用密集的像素信息代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電接收元件，進(jìn)而采用數(shù)字化圖像處理算法代替了傳統(tǒng)的“莫爾條紋細(xì)分”技術(shù)，在計(jì)算角度位移時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度。角度基準(zhǔn)原理如圖2所示。

圖2 角度基準(zhǔn)原理圖

圖像傳感器與標(biāo)定光柵的縱向距離小于1 mm，使平行光源照射標(biāo)定光柵時(shí)將光柵上的圖案投影到圖像傳感器上。處理電路通過(guò)對(duì)圖像傳感器接收到的像素?cái)?shù)據(jù)的處理計(jì)算，實(shí)現(xiàn)“譯碼”和“細(xì)分”。

1.2.1 標(biāo)定光柵設(shè)計(jì)

圖3為標(biāo)定光柵標(biāo)線圖案的原理圖，標(biāo)定光柵圓周內(nèi)包含有29=512條基準(zhǔn)標(biāo)線。為實(shí)現(xiàn)編碼，光柵標(biāo)線分為“寬基準(zhǔn)標(biāo)線”和“窄基準(zhǔn)標(biāo)線”，分別代表編碼元“0”和“1”。所有的編碼元按照M序列偽隨機(jī)碼的編碼方式，即每一個(gè)編碼元都是由前9個(gè)編碼元的之間的異或計(jì)算得到。設(shè)第i個(gè)碼元為mi，那么mi可以通過(guò)式(1)進(jìn)行計(jì)算。

mi=mi-4?mi-9

(1)

式中?表示異或運(yùn)算。

設(shè)初始值{m1,m2,…,m9}={0,0,…,0,1}，通過(guò)式(1)的計(jì)算，共得到29個(gè)編碼元。每相鄰的9個(gè)碼元{mi,mi+1,…,mi+8}為一組編碼值，其對(duì)應(yīng)的譯碼值就是i。將這些編碼元對(duì)應(yīng)的“寬、窄標(biāo)線”按照等間隔等半徑位置刻劃到圓光柵上，形成了9位標(biāo)定光柵(圖3中所指示的編碼為“111011100”)。

圖3 標(biāo)定光柵標(biāo)線圖案原理圖

1.2.2 細(xì)分算法

為了進(jìn)一步在相鄰的標(biāo)線之間實(shí)現(xiàn)“細(xì)分”計(jì)算。處理電路將根據(jù)圖像傳感器的圖像信息計(jì)算相鄰標(biāo)線之間的位移。圖4為標(biāo)定光柵細(xì)分區(qū)域的示意圖。

圖4 細(xì)分原理

圖4中，O為光柵圓心，L1和L2分別為光柵上相鄰的兩條標(biāo)線，A和C分別是L1和L2刻線的質(zhì)心。根據(jù)小角度近似，圖中角度θ與兩基準(zhǔn)標(biāo)線夾角的比值可以計(jì)算為[11]

(2)

A、C兩點(diǎn)的位置可以通過(guò)“質(zhì)心算法”計(jì)算得出。2m的取值越大，所實(shí)現(xiàn)的細(xì)分分辨率越高。文中取2m=214。那么角度基準(zhǔn)所實(shí)現(xiàn)的分辨率為9+14=23位，即0.15″。

2 基于μc/os的控制原理

μc/os操作系統(tǒng)，具有可讀性好、實(shí)時(shí)性能強(qiáng)、可裁剪和可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。用戶(hù)通過(guò)設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)函數(shù)，可以通過(guò)調(diào)度內(nèi)核實(shí)現(xiàn)對(duì)各優(yōu)先級(jí)函數(shù)的調(diào)度。

為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)被測(cè)光電編碼器的誤差標(biāo)定，處理電路的工作主要分為：接收角度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、接收被測(cè)光電編碼器數(shù)據(jù)、控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位、顯示數(shù)據(jù)、接收按鍵信息、識(shí)別指令信息和發(fā)送指令信息。采用μc/os操作系統(tǒng)對(duì)這些工作進(jìn)行調(diào)度時(shí)，需要設(shè)定好任務(wù)函數(shù)。根據(jù)需要，本系統(tǒng)的任務(wù)函數(shù)主要如下：

(Task1)初始化配置任務(wù)，優(yōu)先級(jí)1；

(Task2)被測(cè)數(shù)據(jù)接收任務(wù)，優(yōu)先級(jí)4；

(Task3)角度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)接收任務(wù)，優(yōu)先級(jí)4；

(Task4)按鍵識(shí)別和指令發(fā)送任務(wù)，優(yōu)先級(jí)2；

(Task5)液晶顯示任務(wù)，優(yōu)先級(jí)5；

(Task6)電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)，優(yōu)先級(jí)3。

以上6個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)數(shù)字越低，代表調(diào)度內(nèi)核越優(yōu)先執(zhí)行該任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步接收，被測(cè)數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的接收優(yōu)先級(jí)相同。μc/os內(nèi)核對(duì)各個(gè)任務(wù)的調(diào)度原理如圖5所示。

圖5 各任務(wù)函數(shù)調(diào)度原理

圖5中，任務(wù)越靠外圈，其優(yōu)先級(jí)越低。在上電工作時(shí)，操作系統(tǒng)內(nèi)核首先調(diào)度任務(wù)1進(jìn)行工作，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，包括：液晶的初始顯示、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)初始化等工作。完成初始化后，操作系統(tǒng)將調(diào)用刪除指令“刪除”任務(wù)1，即不再執(zhí)行任務(wù)1。其他任務(wù)將按照各自?xún)?yōu)先級(jí)依次運(yùn)行，每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行間隔設(shè)置為1 ms。

3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

在對(duì)被測(cè)光電編碼器進(jìn)行誤差標(biāo)定時(shí)，需要采用電機(jī)帶動(dòng)角度基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)到指定的角度值，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前位置的測(cè)角誤差標(biāo)定。因此，本文采用PID閉環(huán)控制模型對(duì)電機(jī)的定位進(jìn)行控制。其原理如圖6所示。

圖6 電機(jī)控制模型

控制模型將以角度基準(zhǔn)的數(shù)值作為反饋，通過(guò)比較“給定角度值”與“角度基準(zhǔn)”的差值，以PID控制模型進(jìn)行計(jì)算，得出控制電壓(PWM占空比)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制。此外，在電壓輸出端加入了“電壓限制”，并設(shè)置最高電壓U1和最低電壓U2，防止電機(jī)失控。

4 轉(zhuǎn)臺(tái)性能測(cè)試

所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)的高度為110 mm，直徑為90 mm。所設(shè)計(jì)的角度基準(zhǔn)的直徑為80 mm，分辨率為0.15″(23位)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為安裝有蝸輪蝸桿的直流有刷電機(jī)，其最低轉(zhuǎn)速可以達(dá)到5°/s。所有的控制電路全部封裝在系統(tǒng)電箱中。所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)物圖

在電箱面板上包括：二進(jìn)制數(shù)值顯示燈、液晶屏和按鍵。其中，二進(jìn)制數(shù)值顯示燈負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)光電編碼器和角度基準(zhǔn)輸出數(shù)值的實(shí)時(shí)顯示，液晶屏上顯示當(dāng)前設(shè)定的轉(zhuǎn)角位置和誤差數(shù)值。4個(gè)按鍵分別為：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、角度基準(zhǔn)清零和速度控制。

4.1 角度基準(zhǔn)性能測(cè)試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)角度基準(zhǔn)的性能，采用24多面體和激光自準(zhǔn)直儀對(duì)所設(shè)計(jì)的角度基準(zhǔn)進(jìn)行誤差測(cè)試。所測(cè)試的誤差如圖8所示。

圖8 角度基準(zhǔn)的誤差

對(duì)圖8中的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差運(yùn)算后，得到所設(shè)計(jì)的角度基準(zhǔn)的精度評(píng)估指標(biāo)為4.62″。該指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

4.2 定位測(cè)試

為測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的定位性能，通過(guò)電箱上的按鈕控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，分別每隔30°實(shí)現(xiàn)一次定位，并記錄下完成定位時(shí)角度基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)與給定角度的差值，如表1所示。

表1 定位測(cè)試結(jié)果

表1中差值數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.26″，該數(shù)值較小，滿(mǎn)足使用要求。

4.3 不確定度分析

影響誤差標(biāo)定準(zhǔn)確度的因素主要包括：角度基準(zhǔn)誤差、定位誤差以及機(jī)械安裝誤差。機(jī)械安裝帶來(lái)的誤差主要是被測(cè)光電編碼器與角度基準(zhǔn)的同軸度。在安裝時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)的同軸度在±0.1 mm以?xún)?nèi)。同軸度的影響很小，可以忽略。因此，所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)的不確定度為

(3)

5 實(shí)驗(yàn)

5.1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的被測(cè)編碼器為小型絕對(duì)式光電編碼器，其外徑為40 mm，設(shè)計(jì)指標(biāo)為16位分辨率，精度優(yōu)于60″。采用轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)該編碼器進(jìn)行誤差標(biāo)定，并與采用傳統(tǒng)誤差檢測(cè)裝置的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

圖9中，采用轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差標(biāo)準(zhǔn)差為54.31″，傳統(tǒng)裝置標(biāo)定的誤差標(biāo)準(zhǔn)差為53.99″。同時(shí)，通過(guò)誤差曲線對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩者的誤差變化趨勢(shì)相同，這表明本文所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差標(biāo)定結(jié)果可信。

5.2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

采用轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)被測(cè)光電編碼器進(jìn)行3次誤差標(biāo)定，所測(cè)得的誤差數(shù)值如表2所示。誤差的標(biāo)準(zhǔn)差分別為53.34″、55.21″、56.39″。可以看出，3次的標(biāo)定結(jié)果相近，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)重復(fù)性良好。

表2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)時(shí)，對(duì)小型光電編碼器產(chǎn)品的誤差標(biāo)定，設(shè)計(jì)了一種高分辨率的誤差標(biāo)定轉(zhuǎn)臺(tái)。首先，采用對(duì)比法搭建了光電編碼器誤差標(biāo)定系統(tǒng)；然后，采用圖像式角位移識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)了高精度的角度基準(zhǔn)；最后，基于μc/os操作系統(tǒng)調(diào)度內(nèi)核，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)臺(tái)控制電路。實(shí)驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的誤差標(biāo)定轉(zhuǎn)臺(tái)能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)光電編碼器的誤差標(biāo)定。