高精度磁電編碼器及其細(xì)分算法的研究

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高精度磁電編碼器及其細(xì)分算法的研究【完整版】(文檔可以直接使用，也可根據(jù)實(shí)際需要修訂后使用,可編輯放心下載）碩士學(xué)位論文高精度磁電編碼器及其細(xì)分算法的研究RREESSEEAARRCCHHOONNHHIIGGHH--PPRREECCIISSIIOONNPPRREECCIISSIIOONNRREESSEEAARRCCHHOONNHHIIGGHH--PPRREECCIISSIIOONNPPRREECCIISSIIOONNMMAAGGNNEETTIICCEENNCCOODDEERRAANNDDIITTSSSSUUBBDDIIVVIISSIIOONNMMAAGGNNEETTIICCEENNCCOODDEERRAANNDDIITTSSSSUUBBDDIIVVIISSIIOONNAALLGGOORRIITTHHMMAALLGGOORRIITTHHMM((學(xué)術(shù)學(xué)術(shù)型)型)((學(xué)術(shù)學(xué)術(shù)型)型)徐春明哈哈爾濱爾濱工業(yè)工業(yè)大學(xué)大學(xué)哈哈爾濱爾濱工業(yè)工業(yè)大學(xué)大學(xué)2020202013131313年6666月國內(nèi)圖書分類號:TH712學(xué)校代碼:10213國際圖書分類號:621密級:公開工學(xué)碩士學(xué)位論文高精度磁電編碼器及其細(xì)分算法的研究碩士研究生:徐春明導(dǎo)師:郝明暉教授申請學(xué)位:工學(xué)碩士學(xué)科:機(jī)械設(shè)計(jì)及理論所在單位:機(jī)電工程學(xué)院答辯日期:2021年7月授予學(xué)位單位:哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TH712U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringPPRREECCIISSIIOONNMMAAGGNNEETTIICCEENNCCOODDEERRAANNDDPPRREECCIISSIIOONNMMAAGGNNEETTIICCEENNCCOODDEERRAANNDDRREESSEEAARRCCHHOOFFIITTSSSSUUBBDDIIVVIISSIIOONNAALLGGOORRIITTHHMMRREESSEEAARRCCHHOOFFIITTSSSSUUBBDDIIVVIISSIIOONNAALLGGOORRIITTHHMMCCaannddiiddaattee::CCaannddiiddaattee::XuChunmingSSuuppeerrvviissoorr::SSuuppeerrvviissoorr::Prof.HaoMinghuiAAccaaddeemmiiccDDeeggrreeeeAApppplliieeddffoorr::AAccaaddeemmiiccDDeeggrreeeeAApppplliieeddffoorr::MasterofEngineeringMechanicalDesignandTheorySSppeecciiaalliittyy::SSppeecciiaalliittyy::SchoolofMechatronicsEngineeringAAffffiilliiaattiioonn::AAffffiilliiaattiioonn::July,2021DDaatteeooffDDeeffeennccee::DDaatteeooffDDeeffeennccee::DDeeggrreeee--CCoonnffeerrrriinngg--IInnssttiittuuttiioonn::DDeeggrreeee--CCoonnffeerrrriinngg--IInnssttiittuuttiioonn::HarbinInstituteofTechnology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘摘摘摘要要要要角位移檢測傳感器作為伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)時反應(yīng)和動態(tài)監(jiān)測的重要元件之一。本文所研究的磁電編碼器與目前市場已廣泛應(yīng)用的光電編碼器相比,具有抗振動、抗污染、高可靠性等優(yōu)點(diǎn),并在一些特殊的場合如軍工領(lǐng)域應(yīng)用逐漸廣泛起來。但當(dāng)前我國自主研究的磁電編碼器在精度上、分辨率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上國外所研制的產(chǎn)品,而市場對其的需求量越來越大,并且精度要求越來越高。為此,本文在磁電編碼器的分辨率和精度上做了深入的研究,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具體的設(shè)計(jì)指標(biāo);設(shè)計(jì)的高精度多對極磁電編碼器的應(yīng)用的目標(biāo)場合是針對于高精度要求的測量領(lǐng)域,本課題的研究具有一定的實(shí)用價(jià)值。本文首先分析了傳統(tǒng)反正切和校準(zhǔn)查表法的優(yōu)缺點(diǎn),進(jìn)而提出了新型分區(qū)間反正切查表算法,其具有區(qū)間連續(xù)性和非線性誤差小的優(yōu)點(diǎn);詳細(xì)說明了此算法的制表和查表的過程,受機(jī)械式手表的啟發(fā)提出了多對極編碼器的算法;然后根據(jù)氣隙優(yōu)化確定間隙的大小設(shè)計(jì)編碼器信號的發(fā)生機(jī)構(gòu),并對編碼器的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了討論,采用過采樣技術(shù)提高AD器件采樣分辨率以消除白色噪聲的影響,通過數(shù)據(jù)采集卡解算編碼器精度和分辨率;當(dāng)使校準(zhǔn)系統(tǒng)處于檢測狀態(tài),通過實(shí)驗(yàn)得知所研制的軸向安裝的單磁極編碼器精度為12位,分辨率為16位;采用運(yùn)放放大器放大多對極原始信號,以擴(kuò)大AD的量程利用率,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和磁場仿真結(jié)果所研制的大電機(jī)多對極編碼器的分辨率有望到達(dá)了23位。最后,根據(jù)大電機(jī)的單對極和多對極磁鋼的磁場仿真分析結(jié)果,驗(yàn)證了單對極磁鋼對多對極磁場有干擾作用,并提出了模型修改方案??增加導(dǎo)磁板,以防止兩磁鋼在關(guān)心區(qū)域磁場疊加,再通過磁場仿真結(jié)果說明磁場已被隔離開,這樣就消除了多對極信號中的低頻信號。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,所研究的編碼器已經(jīng)到達(dá)高精度、高分辨率指標(biāo),并且能滿足某些特殊場合下的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:磁電編碼器;單對極;多對極;分區(qū)間反正切查表細(xì)分算法;高精度-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractAngulardisplacementdetectingsensoristhecriticalcomponentoftheservo-loopcontrolsystem’sreal-timefeedbackanddynamicmonitoring.Themagneticencoderofthepaperhasanti-vibration,anti-pollution,highreliability,etccomparedwiththewidelyusedphotoelectricencoder,sothatitismoreandmorepopularappliedinsomespecialoccasionssuchasmilitaryfield.However,thecurrentmagneticencoderstudiedinourowncountryisfarbehindforeigndevelopedproductsandmarketsquantitydemandgrow,increasinghighprecisiontomagneticencoder.Thereforethispaperthoroughlyresearchencoderinresolutionandaccuracy,thenverifyspecificdesignspecifications;thehigh-precisionmulti-polemagneticencoderisdesignedforhigh-precisionrequiredmeasurementfield,thesubjectofstudyhassomepracticalvalue.Thispaperfirstanalyzestheadvantagesanddisadvantagesofthetraditionalarctangentandcalibrationlook-uptable,andthenproposeanewpartitionsarctangentlook-upalgorithm,whichhasarangeofcontinuityandtheadvantagesofsmallnonlinearity;detailedlyintroducethisalgorithm’stabulationandtablelookupprocess,putforwardmulti-poleencoderalgorithminspiredbythemechanicalwatch.Thenaccordingtothegapsizeofthegapoptimizationdesigntheencodersignalgeneratingmechanism;thekeytechniquesoftheencoderarediscussed,forexampleoversamplingtechnologyofADdevicesimprovesamplingresolutiontoeliminatethewhitenoise,andthedataacquisitioncardsolveraccuracyandresolutionoftheencoder.Whenthecalibrationisindetectedstatus,thesingle-poleencoderthatisdevelopedinaxiallymountedachieve12-bitprecisionand16-bitresolution.Multi-polemagneticencoderoftheoriginalsignalisblowedupbytheamplifier,whichextendADrangeutilization,whoseresolutionis23-bitbytheexperiment.Atlast,basedonlargemotors,singleandmulti-polemagnetofthemagneticfieldonthesimulationresultsverifyinterferenceeffectsbetweentheone-on-polemagnetandmulti-polemagneticfield.Andproposedmodelmodifications?increasingmagneticboards,-II-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文itpreventstwomagnetssuperimposedinthemagneticfieldontheregionofinterest,thenthemagneticfieldsimulationresultshowsthatthemagneticfieldinordertobeisolated,soeliminatesthemulti-polarsignalonthelow-frequencysignal.Theexperimentsprovethatthestudiedencoderhasreachedhighaccuracy,highresolutionindicators,andcanmeettheapplicationofcertainspecialoccasions.KKKKeeeeyyyywwwwoooorrrrddddssss::::Magneticencoder,Single-pole,Multi-pole,Partitionsarctangentlook-uptablesubdivisionarithmetic,Highprecision-III-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文目錄目目目錄錄錄摘要.IAbstractII第1章緒論11.11課題背景1.2研究的目的和意義21.3國內(nèi)外角位移編碼器種類及開展趨勢31.3.13旋轉(zhuǎn)變壓器分析1.3.2光電式編碼器根本原理及分析.41.3.3磁電編碼器根本原理及分析..5編碼器開展現(xiàn)狀及趨勢1.4..10課題主要研究內(nèi)容第2章高精度磁電編碼器反正切查表算法研究..112.111引言傳統(tǒng)反正切細(xì)分算法分析2.2.1反正切根本原理11傳統(tǒng)反正切算法的優(yōu)缺點(diǎn)2.3校準(zhǔn)查表細(xì)分算法的分析142.3.1標(biāo)定算法的原理14查表區(qū)間的劃分和解算流程2.3.3區(qū)間交匯點(diǎn)跳變和恒值分析172.4分區(qū)間反正切查表新型算法.182.4.1..18反正切查表法的提出2.4.2制表和查表的過程設(shè)計(jì)192.4.3校準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺的研制24本章小結(jié)第3章單對極和多對極磁電編碼器研究263.1引言26磁電信號發(fā)生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.2.1軸向安裝單對極的發(fā)生機(jī)構(gòu)273.2.2多磁極信號發(fā)生機(jī)構(gòu).28-IV-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文3.331信號處理電路板設(shè)計(jì)3.4磁電信號處理的關(guān)鍵技術(shù)研究343.4.1編碼器工作時序及角度補(bǔ)償343.4.235過采樣技術(shù)及測速策略多對極模擬信號放大的實(shí)現(xiàn)3.5128對極磁電編碼器的研制39機(jī)械尺寸及多對極的氣隙優(yōu)化3.5.2多對極磁編碼器的算法研究423.6本章小結(jié)454..46第章高精度磁電編碼器的校準(zhǔn)系統(tǒng)試驗(yàn)研究4.1引言464.2校準(zhǔn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的試驗(yàn)研究464.2.146校準(zhǔn)的根本原理及步驟數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)傳輸過程4.3單對極和多對極磁電編碼器的試驗(yàn)研究..51單對極磁電編碼器精度檢測多對極磁電編碼器分辨率檢測4.4多對極編碼器的磁場仿真分析56編碼器磁場分析模型的建立磁場仿真結(jié)果提取4.4.3模型修改后的磁場仿真驗(yàn)證57本章小結(jié)結(jié)論.59參考文獻(xiàn)6064哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明及使用授權(quán)說明致致謝謝致致謝謝.65-V-哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第第第第1111章章章章緒緒緒緒論論論論1.1課題背景跨入技術(shù)全新與信息科學(xué)開展的21世紀(jì)以來,信息技術(shù)已成為當(dāng)今社會開展的一股新的強(qiáng)大力量。隨著社會進(jìn)步與開展,傳感器的作用就類似于人類的大腦通過神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)末梢來感知外面的信息。傳感器的廣義定義:“但凡利用一定的物質(zhì)法那么、效應(yīng)、定理、定律等進(jìn)行的信息轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)[1]化,并且輸出與輸入嚴(yán)格一一對應(yīng)的器件或裝置均可稱為傳感器。〞現(xiàn)代社會里,模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量、直流電機(jī)轉(zhuǎn)為交流伺服電機(jī)以及日益增大高精度測量領(lǐng)域需求量,傳感器已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域,起著不可缺少的地位并且具有極大市場應(yīng)用潛力,傳感器的開展促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)[2]展。例如,智能在近幾年得到長足的開展,在質(zhì)量上、功能上、外觀上有著很大的改良,我們?nèi)粘Ｋ玫挠|屏的電容屏就是一種傳感器。傳感器帶來了與用戶互動的理念和增加舒適的表達(dá)感。傳感器通常有敏感元件和轉(zhuǎn)換元件等組成,如圖1-1所示。在某些場合下傳感器輸出的信號微弱,[3]通過轉(zhuǎn)化電路放大信號,另外還需要外界輔助的電源模塊供電。電量被測量敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路輔助電源圖1-1傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖傳感器含有力學(xué)傳感器、溫度傳感器、視覺傳感器、觸覺傳感器、微傳[3]感器和位移傳感器。本文所研究的磁電編碼器是測量位移的角度傳感器。[4]目前測量角位移的傳感器有光電編碼器、磁電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、電位器。根據(jù)它們自身的特點(diǎn)和應(yīng)用的環(huán)境來選擇相應(yīng)的角度傳感器,光電編碼器在目前的電機(jī)控制領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛,由于它技術(shù)成熟并所制成的產(chǎn)品有較高的分辨力和精度。但是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動易使碼盤破碎,光電編碼器的抗震動和抗沖擊性能差,導(dǎo)致無法滿足惡劣的工況條件下工作要求。眾所周知,因?yàn)楝F(xiàn)代工業(yè)化要求編碼器的朝向高速化、高精度、小型化方向,磁編碼器的應(yīng)用市場得到了進(jìn)一步的擴(kuò)大,其在惡劣環(huán)境高精度檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置-1-哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文[5]具有重要的意義。為什么要使用編碼器?1編碼器與PLC的位置控制或高速計(jì)數(shù)模塊相連測量位置。2編碼器與矢量型驅(qū)動相連接,電機(jī)由變頻器驅(qū)動控制,編碼器反應(yīng)電機(jī)的速度。3較高精度的測量領(lǐng)域需要高精度、高分辨率、響應(yīng)速度更快的編碼器。編碼器是測量角速度和旋轉(zhuǎn)位移等物理量的傳感器,原理為將被測量轉(zhuǎn)化為電參量來表示,應(yīng)用在航天航空、現(xiàn)在自動化控制、新型動力汽車等各個領(lǐng)域系統(tǒng)中,如電機(jī)伺服、高精度轉(zhuǎn)臺等需要[6]對角度信號進(jìn)行實(shí)時反應(yīng)控制的場合。機(jī)械設(shè)備自動水平越好,那么傳感器的利用范圍日益廣泛。當(dāng)今時代,各個國家研究開發(fā)高精密的裝備制造,而執(zhí)行元件和高精度的檢測是其中重要的環(huán)節(jié)。新材料技術(shù)和信息技術(shù)使得傳感器技術(shù)進(jìn)入前所未有的快速開展時期。1.2研究的目的和意義位移包括直線位移和角度位移,它是指物體相對參考點(diǎn)之間的偏移,偏移量的大小及我們?nèi)粘Ｋf的路程(位移量)。位移是一種根本物理量,測出其大小與之相關(guān)的物理量那么可迎刃而解。例如,如果測當(dāng)前物體所處的位置,就可以測量其與參考點(diǎn)之間的位移;如果知道位移與時間的表達(dá)式,對該函數(shù)方程求導(dǎo)就是物體的速度,二階導(dǎo)就是加速度。角位移的測量檢測技術(shù)一直是當(dāng)今測量的根底技術(shù),航天航空、數(shù)控機(jī)床等大型工程對位移傳感器的[7]要求越來越高。角位移傳感器的研究一直圍繞著高精度、高分辨力、小型化、抗沖擊抗震動和低本錢的方向開展。角度位移傳感器按照工作的原理分為光電數(shù)字傳感器和磁電數(shù)字傳感器。光電編碼器是利用光電信號轉(zhuǎn)換的一種重要的角位移傳感器。光電編碼器由光源、透鏡、光柵碼盤、光敏元件和外圍轉(zhuǎn)換電路組成。工作的原理是光敏元件接收透過隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的光柵碼盤的明暗交替的光信號,單片機(jī)把外圍轉(zhuǎn)化電路傳遞過來的脈沖折算成角度值。它是目前工控領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)最為成熟的,精度和分辨率都能到達(dá)較高的水平。但是由于當(dāng)精度到達(dá)12位以上的絕對式光電編碼器價(jià)格比擬昂貴、抗沖擊、抗振動性能不強(qiáng),難以滿足在環(huán)境惡劣的情況下工作;相對磁電其容易受油的污染,能使用的壽命有限;最為致命的是實(shí)現(xiàn)高精度時,由于光柵技術(shù)限制碼盤的直徑必須增大一定的程度,導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)小型化非常的困難。磁電編碼器是伴隨著光電編碼器的缺點(diǎn)缺乏開展起來的,工作原理是利用霍爾磁敏元件或磁阻傳感器對磁鋼隨電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動的磁場進(jìn)行收集,空間-2-哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文中任一點(diǎn)的磁場的強(qiáng)度和大小發(fā)生周期的變化引起了霍爾元件輸出電壓信號[7]或者磁阻感應(yīng)的電阻大小發(fā)生同樣規(guī)律的周期性變化。這是因?yàn)榛魻栃?yīng)或磁阻效應(yīng)可知,電壓或電阻與磁場是成正比例關(guān)系的。磁電編碼器具有抗振動、抗沖擊的特性,不易受到外屆環(huán)境的影響;構(gòu)成部件少,結(jié)構(gòu)簡單緊湊,可以再低本錢的情況下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。磁旋轉(zhuǎn)編碼器是近年來常報(bào)道的一種新型電磁器件。磁電編碼器較其他角位移傳感器具有響應(yīng)頻率高、易實(shí)現(xiàn)小型化、本錢低、能在高速狀態(tài)下工作等特點(diǎn),并且能將其構(gòu)造器件[8-10]重新排列組合形成多功能和新功能的元件。因此,電機(jī)伺服控制和精密測量領(lǐng)域和閉環(huán)控制及位置檢測領(lǐng)域的磁電編碼器應(yīng)用數(shù)量不斷增大,精度需求也不斷提高,其已經(jīng)成為控制系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)。編碼器也應(yīng)用在復(fù)印件、打印機(jī)、硬盤等日常辦公必用品上,改變了人類的生活。另外,它在航空航天和軍工等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用也逐年增加。其市場需求量每年以20%~[11]30%的速度增長。因此,針對目前磁電編碼器的現(xiàn)狀,本課題將研究并開發(fā)出一種工程化生產(chǎn)的高精度、小型化的單對極磁電編碼器,研究的高精度多對極磁電編碼器應(yīng)用領(lǐng)域針對于高精度要求的測量工程,其工作場合的轉(zhuǎn)速并不高,但能在低轉(zhuǎn)速下識別出較小位置的變動。1.3國內(nèi)外角位移編碼器種類及發(fā)展趨勢旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器和磁電編碼器是當(dāng)前應(yīng)用的較為廣泛的三種角位移傳感器。1.3.1旋轉(zhuǎn)變壓器分析旋轉(zhuǎn)變壓器又稱同步分解器,其結(jié)構(gòu)類似于異步感應(yīng)電機(jī),有定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。工作原理變壓器相同,變壓器輸出的是恒定的變壓比,而旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號與轉(zhuǎn)動的角位移相關(guān)的傳感器。定子繞組作為變壓器的原邊,轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊,副邊的兩個繞組在空間上是相互垂直的關(guān)系。副邊隨轉(zhuǎn)動的對象同步運(yùn)動,輸出兩項(xiàng)信號相位上相差90?,旋轉(zhuǎn)變壓器計(jì)算角度是使次級線圈輸出分別與估值值α的正余弦相乘并作差,然后利用二分法使α與待求θ值逐步接近。[12]采用多極雙通道的旋轉(zhuǎn)變壓器具有耐高溫、抗噪聲、抗油污等優(yōu)點(diǎn),分辨率能到達(dá)16位,廣泛的應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng),機(jī)器人控制系統(tǒng)等場合。但是由于本身體積相對于其他角位移傳感器較大,難以實(shí)現(xiàn)小型化;高精度-3-哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文的繞組形式復(fù)雜,加工困難;安裝和繞組分布誤差使其輸出具有較大的高次諧波和直流分量,影響其測量精度。1.3.2光電式編碼器基本原理及分析光電編碼器按照計(jì)數(shù)的方式分為絕對式和增量式的兩種類型。絕對式是指一圈中的任意位置都有固定的編碼;增量式的輸出是一系列脈沖,需要對準(zhǔn)零位基準(zhǔn)數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)角位移的測量。光電編碼器主要有發(fā)光器件、碼盤、指示光柵、光接受器件和后續(xù)處理電路組成,增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖1-2如圖所示。碼盤指示光柵發(fā)光管接收元件軸圖1-2增量式光電編碼器組成元件機(jī)械軸與碼盤轉(zhuǎn)動相同,發(fā)光器件發(fā)出的光經(jīng)過碼盤和指示光柵被光敏元件接受,由后續(xù)處理電路輸出相位差90?,兩路正余弦或脈沖信號,設(shè)置計(jì)數(shù)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)多圈的角位移測量。絕對式與增量式的結(jié)構(gòu)上區(qū)別主要在碼盤上,其碼盤不是均勻刻分光柵,1多碼道絕對式編碼器有n道碼道如圖1-3所示,第一道均分成2,第二道均2nn分成2……第n道均分成2,那么分辨率2每個位置都有唯一固定的編碼,碼道內(nèi)扇形的網(wǎng)格黑色代表光不能穿過,白色能穿過,透光的處理后輸出高電平,不透光的輸出低電平,輸出n位的二進(jìn)制數(shù)格雷碼代表此時的位置并且[13-15][16][17]唯一。//.riu、北京交通大學(xué)王陽、中科院長春光機(jī)所陳贅等圖1-3絕對式多碼道圓光柵盤-4-哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文研究了多碼道徑向編碼變?yōu)榭v向編碼的單碼道絕對式編碼器編碼算法,其碼道的光柵盤如圖1-4所示。圖1-4絕對式單碼道光柵盤光電編碼器是隨著光電技術(shù)和莫爾條紋細(xì)分技術(shù)開展起來的傳感器。1874年,英國物理學(xué)家第一次求光柵的相對位移利用的方法是莫爾條紋移動法。1950年英國皇家物理實(shí)驗(yàn)室提出的塑料復(fù)制工藝和1960年提出的照相[18]法能使光柵大量廉價(jià)的生產(chǎn)。接下來二十年間,各個國家對光學(xué)柵距細(xì)分上進(jìn)行了長期的研究,先后經(jīng)歷開展機(jī)械細(xì)分系統(tǒng)、光電掃描細(xì)分系統(tǒng)、光學(xué)細(xì)分系統(tǒng)及電子學(xué)細(xì)分方法,為提高角位移傳感器的分辨力做出了奉獻(xiàn)。海德漢公司設(shè)計(jì)的混合式27位分辨率光電編碼器已在意大利望眼鏡控制系[19]統(tǒng)上使用,并與2002年研發(fā)成功27位絕對式光電編碼器。光電編碼器的開展較早,應(yīng)用在各個領(lǐng)域中,因?yàn)槠渚哂休^快的響應(yīng)速率、分辨率和精度高。但是它也具有自身的缺點(diǎn):光柵制造的工序多并且復(fù)雜,對加工環(huán)境潔凈度要求的苛刻;最致命的是光柵刻度線有限,假設(shè)要提高分辨必須增加碼盤的直徑那么實(shí)現(xiàn)小型化較困難;編碼器裝配復(fù)雜,需要較高[20][21,22]的裝配精度,導(dǎo)致了尤其絕對式類型價(jià)格昂貴;光電編碼器無法在環(huán)境惡劣,其容易受到油污、塵埃的影響,抗振動和抗沖擊能力不強(qiáng),光源的使用壽命有限,需要定期更換。1.3.3磁電編碼器基本原理及分析磁電編碼器按照磁鋼的極數(shù)可分成單對極磁電編碼器和多對極磁電編碼[23]器。磁電式主要有信號的發(fā)生機(jī)構(gòu)和信號處理電路構(gòu)成,發(fā)生機(jī)構(gòu)的磁敏元件感應(yīng)轉(zhuǎn)子磁場變化,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)化后數(shù)字信號處理得出角度信息。從工作原理可知,磁電編碼器屬于非接觸傳感器,結(jié)構(gòu)簡單,易實(shí)現(xiàn)小型化等特點(diǎn)。11111-5()多對極磁電編碼器和單對極磁電編碼器多磁極編碼器如圖所示。-5-哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文轉(zhuǎn)軸磁敏元件多極磁鼓NSSN信號處理電路圖1-5多對極磁電編碼器原理示意圖傳統(tǒng)的多磁極編碼器組成結(jié)構(gòu)包括磁敏元件、多極磁鼓和信號處理電路三大局部。多極磁鼓有兩種制作方法:一是粘合劑和磁性材料組成的塑料磁性體;二是涂覆磁性材料在非磁材料外表而成。同樣的加工工藝和磁鼓的直徑尺寸,磁極數(shù)越多,那么每極所占的寬度越小并且磁感應(yīng)強(qiáng)度也越小。理論上,磁鼓的磁極數(shù)越多,編碼器的分辨率和精度越高。但磁極數(shù)越多,每對極的磁通量越小,磁敏元件的輸出又與磁通量成正比的關(guān)系。磁敏元件是具有一定結(jié)構(gòu)的多個磁效應(yīng)電阻MR元件組成,它們之間用橋式電路1-6連接,該電路具有溫度補(bǔ)償并差式補(bǔ)償輸出。橋式電路原理連接圖如圖所示。圖1-6磁敏元件橋式電路磁鼓隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)在周圍的氣隙范圍內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的磁場,磁敏元件的阻值因磁阻效應(yīng)隨轉(zhuǎn)子相應(yīng)的周期性變化。MR元件的電阻取得最大值出現(xiàn)在磁極與磁效應(yīng)電阻MR元件正對。當(dāng)磁效應(yīng)電阻MR元件與磁極的中間位置對齊時,此時磁場作用于MR元件的切向分量最大,MR元件的電阻取[24,25]得最小值。MR元件電阻值與磁場方向的夾角關(guān)系表達(dá)式如式1-1。22RRcosθ+Rsinθ1-1min式中R??MR元件不受磁場切向分量時的電阻值;R??MR元件受最大磁場切向分量時的電阻值;minθ??MR元件與磁場方向之間的夾角rad。單對極編碼器電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈,信號出現(xiàn)一次周期現(xiàn)象。與多對極相比,-6-哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文它們在算法和信號的發(fā)生機(jī)構(gòu)以及后續(xù)處理電路具有相似性,不過分辨率和精度沒有多對極的高,其具有尺寸較小等優(yōu)點(diǎn)。[26-28](2222)細(xì)分算法的介紹目前求磁電編碼器的角度算法有傳統(tǒng)的反正切法、卡爾曼濾波細(xì)分算法、基于速度細(xì)分算法、II型跟蹤測角解算算法、校準(zhǔn)查表法等。傳統(tǒng)的反正切算法和校準(zhǔn)查表法在本文第2章將作詳細(xì)的分析。[29]浙江大學(xué)沈建新等人應(yīng)用的卡爾曼濾波遞推方程如下式1-2所示,卡爾曼濾波的程序較為簡單,只要理解下式1-2中的5個公式即可其遞推順序?yàn)椤邦A(yù)測-實(shí)測-修正〞,消除隨機(jī)干擾以恢復(fù)被測量的真實(shí)的面目,其實(shí)質(zhì)為由量測值重構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)向量。?1′′KPHx[HxPHx+R]nn,n?1nn,n?1nn,n?1n,n?1nn,n?1nxx+K[zhx]nn,n?1nnnn,n?1?PPKHxP1-2nn,n?1nnn,n?1n,n?1xxn+1,nnn?PP+Qn+1,nnnnn設(shè)計(jì)兩對極磁環(huán),電機(jī)的角度位置用卡爾曼濾波方法進(jìn)行預(yù)測和估計(jì),ωθ選取的狀態(tài)變量為電機(jī)角速度和轉(zhuǎn)子位置,并建立角位移編碼器信號的EKF模型,由于兩相霍爾處磁場方向互相垂直,對其進(jìn)行不同情況下的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)的仿真,之后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用卡爾曼算法的單片機(jī)計(jì)算量特別大,所以對其計(jì)算能力選擇要求較高,而最終迭代是否收斂取決于初值的選取,[31,32]假設(shè)選取不當(dāng)那么需要較長時間收斂到目標(biāo)值,使響應(yīng)頻率較小,影響傳感器的響應(yīng)特性。[33]基于速度細(xì)分算法是有哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄒繼斌等人提出的,原理是用單個鎖定型霍爾均勻轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的位置檢測。根據(jù)霍爾發(fā)出占空比為50%的矩形方波,假設(shè)上升沿和下降沿分別代表位置0和π處。由上升沿到下降沿的時間可以求出角速度,而角位移為角速度對時間的積分。這種算法雖然成本極低和特別簡單,但不能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)測量,只適用于低端經(jīng)濟(jì)應(yīng)用場合,不適合精密測量領(lǐng)域。[34,35]II型跟蹤測角解算算法的軸角變化的原理框圖如圖1-7所示,用一個角度ψ的正余弦分別于轉(zhuǎn)角θ的余弦、正弦相乘并作差值,以實(shí)現(xiàn)典型二型系統(tǒng)驅(qū)動接近于零,計(jì)算公式為-7-哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文Vsin×+?eAFu+SVcos×sincos圖1-7角度變換跟蹤原理ek[sinθ?cosψcosθsinψ]1-3ksinθψ≈kθψ因?yàn)榈湫投拖到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零,那么θ與ψ相等,便得知電機(jī)角度位1-8置,其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。212d1θ++ωKnSωnS圖1-8II型跟蹤測角解算算法系統(tǒng)框圖跟蹤角度變換的誤差傳遞函數(shù)為2eSSGS1-422θSS+2dkω+kωnn這種的算法具有不容易受到電磁干擾的影響。算法的缺點(diǎn)為:算法的動態(tài)響應(yīng)性差。假設(shè)軟件彌補(bǔ),那么需要周期較長影響到角度輸出的實(shí)時性;假設(shè)硬件實(shí)現(xiàn)變換,那么專業(yè)的芯片價(jià)格比擬昂貴。1.3.4編碼器發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢在目前世界上較大型的編碼器生產(chǎn)廠商中,有英國的雷紹生產(chǎn)公司,美國的NORTHSTAR、TWK,日本的尼康、法蘭克,德國的海德漢、西門子等[36]等。在多對極磁電編碼器研究產(chǎn)品上面,日本一共有50余家公司參與合作研究并處于較高的領(lǐng)先水平,涉及與數(shù)控機(jī)床、超高精度伺服電機(jī)、機(jī)器人、航天航空領(lǐng)域。最近日本研究開發(fā)出小體積、響應(yīng)頻率高、任意需求的分辨率的磁電編碼器,其應(yīng)用在調(diào)節(jié)尾座系統(tǒng)。日本松下公司研制出應(yīng)用于伺服電機(jī)主軸位置檢測的多膜磁電編碼器,具有高度可靠性,檢測信號相之間誤差小。同時單磁極磁電編碼器方面,英國雷尼紹公司研制的產(chǎn)品最高分2.64′12′辨率到達(dá)單圈,精度為±;日本的安川電機(jī)所研制的單磁極分辨率為5.28′;奧地利微系統(tǒng)公司也實(shí)現(xiàn)分辨率5.28′、精度±30′的絕對式磁電編碼器。-8-哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文在磁編碼器的產(chǎn)品方面,微型高速化、高精度、高分辨率和片上集成智[9]能化成為各國研究的重點(diǎn)。在微型高速化方面:瑞士ON公司研制出4564~1024p/r,轉(zhuǎn)速在10r/m~10r/m磁編碼器;在高分辨率、高精度方面,日本一些公司先后研制出每轉(zhuǎn)100萬線和每轉(zhuǎn)64000線并帶正弦波細(xì)分電路及溫漂補(bǔ)償電路的多極角位移傳感器。在片上集成智能化方面AustriaMicrosystemsMolexs、RenisawHoneywellInfineon等芯片生產(chǎn)廠商,把磁傳[37]感器和信號處理電路集成在同一芯片上,做成一種集成智能化傳感器片上系統(tǒng)。這種傳感器只需要在外部配置一個磁柵,就可以組裝成為一個磁編碼器。通常該類產(chǎn)品按配置的磁柵極對數(shù)不同,可分為單對磁極和多對磁極片上系統(tǒng)芯片。上個世紀(jì)60年代中科院長春光機(jī)開始研究光柵并研制光電編碼器,隨后國內(nèi)各個重點(diǎn)大學(xué)開始也參加行列。長春光機(jī)和中科院成都光電所分別先后研制出分辨率到達(dá)25位的LRE-58激光角位移傳感器和25位絕對式光電角[38]位移傳感器,其中中科院的分辨率到達(dá)0.039〃,精度為0.5〃。70年代以來,[39]我國在磁電編碼器領(lǐng)域取得較大的進(jìn)步。朱名日研制出800對極、直徑32mm、分辨率1600p/r輸出的編碼器;華科任志遠(yuǎn)教授研制的多極磁鼓式編[40,41]碼器分辨率到達(dá)了8000p/r。長春光機(jī)所生產(chǎn)出分辨率為8192p/r,其為非接觸增量型和磁柵型編碼器,最大塑料磁化圓環(huán)尺寸到達(dá)32mm,并且磁鼓磁化的極數(shù)為32對。從編碼器的開展現(xiàn)狀來看,西方興旺國家由于起步研究較早相對與我國,它們技術(shù)相對成熟和先進(jìn),產(chǎn)品的類型全面且性能良好,能符合各種領(lǐng)域需求。目前磁電編碼器在我應(yīng)用并沒有西方廣泛,是由于他們對我國采取了技術(shù)封鎖和出口的編碼價(jià)格昂貴。2021年,我國光柵尺的銷售量超過50萬坐標(biāo),銷售額超過4億多元,數(shù)量為世界第一,旋轉(zhuǎn)角位移傳感器的需求逐年擴(kuò)大。另外,國產(chǎn)的磁電編碼器由于技術(shù)落后、性價(jià)比低,主要應(yīng)用在低端的應(yīng)用領(lǐng)域,對精度要求不高。這種現(xiàn)狀與國內(nèi)對高精度磁電編碼的需求日益增長矛盾越來越突出。所以研制出高精度、高可信性、小型化的磁電編碼器對電機(jī)伺服、我國現(xiàn)代工業(yè)自動化具有深刻的影響,推動國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步[42]開展。到2021年為止的磁電編碼器數(shù)據(jù)顯示,歐美品牌占據(jù)的高端市場約為40%的市場份額。韓國、日本生產(chǎn)公司主要占領(lǐng)的中端市場約為35%,我國僅僅在剩下的25%市場份額中參與競爭,并且是低端市場,價(jià)格較低。隨著現(xiàn)代社會的不斷開展,磁電編碼器具有高精度、高分辨率、易實(shí)現(xiàn)小型-9-哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文化的特點(diǎn),使其在高精度的測量領(lǐng)域和控制要求較高的閉環(huán)環(huán)節(jié)重要環(huán)節(jié)。我國在這方面上的研究由于起步晚導(dǎo)致與世界的先進(jìn)國家差距較大,必須意識到磁電編碼器的優(yōu)良性能,這能促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的開展?？v觀社會的需求和編碼器的開展歷史來看,編碼器可以朝以下各方面發(fā)展:一是較高分辨率和較高精度方向;隨著航天航空等大型重要工程和需要高精度測量領(lǐng)域的需求,編碼器等傳感器的高精度表達(dá)越來越重要。二是高可靠性和抗腐蝕性方向;能在環(huán)境惡劣的條件下工作是編碼器的一項(xiàng)重要指標(biāo)。三是智能化、小型化方向;隨著電機(jī)材料開展和控制技術(shù)提高,電機(jī)的[43]微型化是一個重要方向,必然要求編碼器尺寸的微型化。傳感器能在工作中實(shí)現(xiàn)自我診斷,監(jiān)測與預(yù)測,真正意義上實(shí)現(xiàn)傳感器的智能化。1.4課題主要研究內(nèi)容本文研究的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)磁電編碼器的高精度、高分辨率性能。通過具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的編碼器性能指標(biāo),本文的主要研究內(nèi)容如下:1()深入分析現(xiàn)有的細(xì)分算法,提出新型分區(qū)間反正切查表法,目的為去除反正切算法的非線性誤差大和校準(zhǔn)查表的區(qū)間恒值和跳變現(xiàn)象,并設(shè)計(jì)一款標(biāo)定轉(zhuǎn)臺來保證磁電和光電的同軸性。2()設(shè)計(jì)編碼器的信號發(fā)生機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集卡,傳給上位機(jī)進(jìn)行角度運(yùn)算,對編碼器的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行研究,配合使用單對極的編碼器的前提下,實(shí)現(xiàn)多對極編碼器角度絕對式輸出。3()用中斷控制數(shù)據(jù)采集卡采數(shù)過程,確保數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的速度匹配;基于校準(zhǔn)系統(tǒng)檢測磁電編碼器的精度,具體方法是用同一位置的高精度增量型光電編碼器和待測的磁電編碼器的輸出角度值相減。4128JMAG()設(shè)計(jì)對極磁電編碼器的機(jī)械結(jié)構(gòu),通過軟件進(jìn)行磁場??仿真確定霍爾的