基于光電編碼器的小車測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信工程專業(yè)論文

中文摘要Ⅰ基于光電編碼器的小車測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)ADDINNoteFirst.PublicStore中文摘要針對(duì)增量式光電式編碼器的研究，主要是因?yàn)槠涞囊恍┨卣鳎鐑r(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)以及輸出穩(wěn)定等，因此其在很多的數(shù)字的伺服控制能得到大量的應(yīng)用。為了能夠測(cè)得小車的速度，傳統(tǒng)方式主要是“M”、“T”兩種方法，但是這兩種測(cè)速方法不能對(duì)于小車的整個(gè)階段進(jìn)行速度測(cè)量，并且“M/T”在對(duì)于小車低速進(jìn)行測(cè)量時(shí)不能實(shí)時(shí)測(cè)量。因此本文為了解決此問(wèn)題，提出一種新卡爾曼濾波的“M/T”高精度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)速法。此測(cè)速方法能夠很好得對(duì)于小車進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)速，其特點(diǎn)計(jì)算便捷、精度高、輸出穩(wěn)定等等。通過(guò)仿真和試驗(yàn)得出：基于新的“M/T”法對(duì)于小車速度測(cè)量能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量同時(shí)精度更高，對(duì)于以后研究光電式編碼器測(cè)速能夠有很好得應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：卡爾曼濾波、增量式編碼器、動(dòng)態(tài)速度估計(jì)、高精度測(cè)量、變“M/T”法目錄·第二章增量式光電編碼器原理及常見(jiàn)的測(cè)速方法2.1增量式光電編碼器原理2.1.1增量式光電編碼器基本構(gòu)造及特點(diǎn)增量式光電編碼器構(gòu)成主要是通過(guò)電源、發(fā)光二極管以及三極管、圓形棱鏡、光柵固定裝置(檢測(cè)光柵)、光敏管(光電檢測(cè)器件)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、光柵板(碼盤)、軸承和旋轉(zhuǎn)軸等等裝置[7]。增量式光電式編碼器的基本構(gòu)造如下圖1所示。圖1增量式光電編碼器的基本構(gòu)造圖光線經(jīng)過(guò)碼盤和檢測(cè)光柵上在光敏元件上形成兩組明暗相間相位差900的光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)過(guò)光敏管等光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(正弦方波形式)輸出，增量式光電編碼器對(duì)于采集到的信號(hào)進(jìn)行輸出時(shí)，如下圖2所示。編碼器處理過(guò)后的信號(hào)能夠獲得一些相關(guān)有用的信息。例如角加速度、線速度以及位移等等信息。圖2波形圖2.1.2增量式光電編碼器的作用原理如下圖3所示的增量式光電式編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，假設(shè)碼盤的兩個(gè)透光縫間距以及刻度間距分別為SO和S1，檢測(cè)光柵上的A,B兩組透光縫分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)光敏接收管，設(shè)兩組透光縫之間的間距為S2。圖3內(nèi)部原理圖在增量式光電式編碼器進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部的碼盤伴隨著內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，如果其碼盤進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，那么編碼器就會(huì)輸出的信號(hào)比值等于編碼器實(shí)際構(gòu)造的S0：S1：S2比值。若旋轉(zhuǎn)軸無(wú)規(guī)則的變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以把運(yùn)動(dòng)過(guò)程看作是一系列勻速運(yùn)動(dòng)周期的組合，隨著編碼器分辨率的提高，可劃分的運(yùn)動(dòng)周期也隨之增多，因此可以認(rèn)為在實(shí)際工作中，編碼器輸出的方波信號(hào)中S0:S1:S2的比值就等于編碼器實(shí)際構(gòu)造的S0:S1:S2比值。通過(guò)比較A,B兩相輸出波形圖，可以得到編碼器的輸出時(shí)序圖。通過(guò)比較A,B兩相當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻的輸出信號(hào)真值，便可以得到旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。編碼器輸出時(shí)序圖如圖4所示。圖4時(shí)序圖2.1.3增量式光電編碼器的基本技術(shù)規(guī)格①分辨率本文使用的編碼器分辨率主要時(shí)基于其旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所得到的信號(hào)，換言之就是脈沖數(shù)。然而在一些特殊的工況里面，其分辨率能夠有上千的脈沖數(shù)。普通直流電機(jī)控制系統(tǒng)通常使用分辨率在幾百或者上千左右地編碼器。②精度由于編碼器碼盤加工的透光縫隙的質(zhì)量參差不齊，碼盤與連接軸安裝的同心度、垂直度等誤差的存在，編碼器實(shí)際定位角度和輸出的角度之間存在差值，這個(gè)差值就是我們所說(shuō)的精度，差值越小，表示精度越高。我們通常用度、分或秒來(lái)表示精度。另外，機(jī)械旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的的振動(dòng)，空氣溫度濕度等環(huán)境條件的改變也會(huì)對(duì)編碼器的精度產(chǎn)生影響。③響應(yīng)頻率光電編碼器的響應(yīng)頻率主要由光電傳感器件的靈敏度以及電子處理電路的響應(yīng)速度來(lái)決定。當(dāng)編碼器的碼盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電檢測(cè)器件輸出信號(hào)的頻率頻率會(huì)比較高，對(duì)于靈敏度較低的器件此時(shí)信號(hào)的幅度通常會(huì)由于內(nèi)部PN結(jié)電容較大而降低，進(jìn)而增大了后續(xù)處理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大整形的難度。此時(shí)，后續(xù)處理電路的響應(yīng)速度要求也較高，放大整形等電路都必須采用高速的運(yùn)算放大器才能跟上光電檢測(cè)器件輸出信號(hào)的速度。④輸出信號(hào)的形式最簡(jiǎn)單的增量式光電編碼器只有一路方波脈沖信號(hào)輸出。不同傳輸距離的編碼器脈沖信號(hào)的電氣規(guī)范也不相同，一般板級(jí)的傳輸采用單端信號(hào)，而距離較長(zhǎng)時(shí)通常采用差分線傳輸，以信號(hào)在傳輸過(guò)程中的完整性。對(duì)于分辨率較高且轉(zhuǎn)速較快的編碼器，即信號(hào)的頻率較高時(shí)，即使板級(jí)的信號(hào)傳輸，通常也采用差分信號(hào)的形式。在選擇編碼器時(shí)，我們要充分考慮到輸出信號(hào)的形式與現(xiàn)有系統(tǒng)的匹配性。⑤信號(hào)輸出的可靠性增量式編碼器的信號(hào)輸出可靠性主要是指其在使用中，其信號(hào)值能夠一直穩(wěn)定在某個(gè)區(qū)間內(nèi)部。輸出信號(hào)的穩(wěn)定性主要取決于機(jī)械和電子兩個(gè)方面。機(jī)械方面的因素主要有編碼器的碼盤隨外界壓力而產(chǎn)生的變形和溫度變化所引起的熱脹冷縮。電路方面則主要是由于電子器件隨溫度變化而產(chǎn)生的漂移、外界的靜電脈沖對(duì)電路產(chǎn)生的干擾，這些通常都是設(shè)計(jì)編碼器時(shí)需要充分考慮的因素，但作為使用者，充分了解其特性才能更好發(fā)揮編碼器原有的性能。2.2常見(jiàn)的測(cè)速方法與對(duì)比分析光電編碼器進(jìn)行小車測(cè)速時(shí)，一般常使用“M”法、“T”法等等，其工作原理主要是對(duì)于輸出的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，對(duì)于相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)進(jìn)行測(cè)量。常見(jiàn)的編碼器輸出脈沖信號(hào)處理方法有“M”法、“T”法、傳統(tǒng)的“M/T”法以及人們?cè)谶@三種基本信號(hào)處理方法的基礎(chǔ)上，提出的從不同角度出發(fā)的變“M/T"法。每種測(cè)速方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用的速度段，這里將把常見(jiàn)的“M”法、“T”法、傳統(tǒng)的“M/T”法進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明[11,12,13]。2.2.1定時(shí)測(cè)角法(“M”法)定時(shí)測(cè)角法-“M”法，換言之就是對(duì)于測(cè)量給定高頻時(shí)鐘的時(shí)間間隔Ts內(nèi)的增量式光電編碼器的脈沖數(shù)m來(lái)計(jì)算編碼器轉(zhuǎn)速。此時(shí)光電編碼器轉(zhuǎn)速： (2-1)2.2.2定角測(cè)時(shí)法(“T”法)定角測(cè)時(shí)法，即通過(guò)高頻測(cè)量時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)(計(jì)時(shí))來(lái)測(cè)量編碼器輸出脈沖周期(如相鄰的兩個(gè)上升沿之間時(shí)間間隔)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。這種測(cè)速方法又被稱為“T”法，以下用“T”法簡(jiǎn)稱定角測(cè)時(shí)法?！癟”法通過(guò)兩個(gè)相鄰的編碼器輸出脈沖信號(hào)控制高頻時(shí)鐘信號(hào)起始和終止，對(duì)一己知周期Tc的高頻時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行脈沖數(shù)計(jì)數(shù)。若高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值為n，則此時(shí)光電編碼器轉(zhuǎn)速： (2-2)定角測(cè)時(shí)法原理與誤差來(lái)源圖如圖5所示。圖5定角測(cè)時(shí)法原理與誤差來(lái)源圖2.2.3“M/T”法“M/T”法原理上和“T”法類似，“M/T”法是測(cè)量固定個(gè)數(shù)的編碼器輸出脈沖之間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，這里可以將“T”法看作為m=1時(shí)的特例?！癕/T”法原理如圖6所示：圖6“M/T”法原理與誤差來(lái)源圖本文對(duì)于電流進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)設(shè)備選定的是型號(hào)位為TBC06，這是因?yàn)槠淞砍虆^(qū)間大，這樣能夠確保傳感器的精準(zhǔn)度，同時(shí)為了達(dá)到電流信號(hào)檢測(cè)值在量程三分之二以上，因此使得信號(hào)的值應(yīng)能夠滿足量程。所以本文選定的電動(dòng)機(jī)的電流量程為2A，這樣能夠使用傳感器中的一些空隙來(lái)增添導(dǎo)線的刪減，這樣在能夠確定傳感器檢測(cè)到的電流值進(jìn)行一定程度的提升，為了確保檢測(cè)到電流與信號(hào)輸出的最值進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，但是在使用前需要對(duì)于傳感器進(jìn)行歸“0”，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，當(dāng)對(duì)于電流進(jìn)行檢測(cè)后，其值的輸出值也能夠觀測(cè)到，同時(shí)能夠?qū)τ陔娏骱碗妷褐甸g的數(shù)學(xué)關(guān)系以及零點(diǎn)漂移關(guān)系檢測(cè)到，假如不滿足需求，操作者應(yīng)該使用仿真軟件對(duì)于數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)修改，其數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的信號(hào)輸入值應(yīng)該在0-3V區(qū)間內(nèi)，這樣才能夠使用集成運(yùn)放將輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為0~3V。2.2.4常見(jiàn)變“M/T”法"M/T'，法的精度很大程度取決于預(yù)置的編碼器輸出脈沖數(shù)m，在m數(shù)值的選取上存在以下矛盾:m值越大，精度越高，但是采樣周期就越長(zhǎng)，m值越小，精度下降，但是采樣周期就減小，測(cè)速實(shí)時(shí)性好。中高速段編碼器輸出脈沖頻率較高，周期較小?；谶@個(gè)原理，現(xiàn)如今很多工程師、學(xué)者在實(shí)際應(yīng)用中提出了變“M/T”法，即“M/T”預(yù)置的編碼器輸出脈沖數(shù)m不再是固定，而是根據(jù)實(shí)際速度段來(lái)調(diào)整相應(yīng)的預(yù)置m值，以尋求測(cè)速精度和測(cè)速實(shí)時(shí)性最佳平衡變“M/T”法理論上能適應(yīng)整個(gè)速度段測(cè)量，且有很好的實(shí)時(shí)性。與“M/T”法相比，變“M/T”法只是在預(yù)置m值上做了改變，測(cè)量精度分析同“M/T”法。在本質(zhì)上并沒(méi)有改變采樣隨機(jī)性帶來(lái)的采樣誤差，測(cè)量結(jié)果依舊會(huì)有跳動(dòng)。本文基于定時(shí)測(cè)角法以及定角測(cè)時(shí)法的工作原理基礎(chǔ)上，與卡爾曼濾波算法相結(jié)合進(jìn)而提出一種新型的變“M/T”高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)速方法。新算法能夠根據(jù)速度變化范圍對(duì)于定時(shí)測(cè)角法以及定角測(cè)時(shí)法擇優(yōu)選用。

第三章基于卡爾曼濾波的新型變“M/T”測(cè)速方法原理3.1卡爾曼濾波理論的特點(diǎn)綜上可歸納出卡爾曼濾波的特點(diǎn)：1，應(yīng)用范圍廣泛卡爾曼濾波是在時(shí)域范圍內(nèi)，對(duì)線性系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，且將系統(tǒng)噪聲和過(guò)程噪聲看作是高斯白噪聲。這種建模方式不僅適用于單輸入、單輸出的平穩(wěn)線性離散系統(tǒng)，同樣適用于多輸入、多輸出的線性離散系統(tǒng)。2，計(jì)算簡(jiǎn)單，便于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理卡爾曼濾波的計(jì)算是一個(gè)不斷“預(yù)測(cè)一修正”的過(guò)程，其經(jīng)典方程的計(jì)算步驟只有5個(gè)，且計(jì)算不需要存儲(chǔ)之前無(wú)用時(shí)刻的大量數(shù)據(jù)。測(cè)量系統(tǒng)得到最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)后，結(jié)合預(yù)測(cè)值，就可得到當(dāng)前最新的最優(yōu)估計(jì)值。計(jì)算簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)處理實(shí)時(shí)性強(qiáng)。3，可實(shí)時(shí)掌握估計(jì)誤差根據(jù)卡爾曼經(jīng)典計(jì)算方程，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣Pk，矩陣Pk對(duì)角線上的數(shù)值是卡爾曼估計(jì)誤差各分量的方差。因此估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣Pk可以看作為卡爾曼濾波估計(jì)值的精度指標(biāo)。這些方差越小，說(shuō)明各誤差分量的取值接近其均值(0)的概率越大，估計(jì)的精度越高。3.2新型變“M/T”動(dòng)態(tài)測(cè)速方法原理增量式編碼器在測(cè)速過(guò)程中，無(wú)論是定時(shí)測(cè)角法還是定角測(cè)時(shí)法，本質(zhì)上均是通過(guò)一段時(shí)間間隔△t與相應(yīng)編碼器輸出脈沖數(shù)n，計(jì)算這段時(shí)間間隔內(nèi)的角速度。將控制作用考慮在內(nèi)，對(duì)測(cè)量過(guò)程做如下建模：系統(tǒng)方程： (3-1)觀測(cè)方程： (3-2)YK是k時(shí)刻的測(cè)量值，也即由“M”法或“T”得到的角速度測(cè)量值： (3-3)AK是k時(shí)刻狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，HK、是k時(shí)刻測(cè)量轉(zhuǎn)移矩陣。這里取: (3-4)Bk,U、是k時(shí)刻的狀態(tài)控制參數(shù)矩陣。 (3-5)新型的變“M/T”法原理如圖7所示。圖7新型變“M/T”算法原理圖

第四章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析4.1低速段“T”法與新型變“M/T”法的對(duì)比分析信號(hào)發(fā)生器選擇固定方波輸出，輸出頻率為10KHz轉(zhuǎn)臺(tái)理論上以w=6.7250°/s的角速度做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)?！癟”法、“M”法、“M/T”法三種傳統(tǒng)算法中，在低速段“T”法的測(cè)量精度較高、且響應(yīng)最快。因此我們選擇在低速段對(duì)比“T”法與新型變“M/T”法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示:“T”法曲線受高頻時(shí)鐘脈沖信號(hào)量化誤差影響跳動(dòng)較大，新型變“M/T”法穩(wěn)定階段測(cè)量誤差在0.0150°/s以內(nèi)，相對(duì)誤差在0.223%以內(nèi)，起到了很好的濾波作用，有效地抑制了量化噪聲影響。圖8低速段法與卡爾曼算法對(duì)比圖4.2高速段“M”法與新型變“M/T”法的對(duì)比分析信號(hào)發(fā)生器選擇固定方波輸出，輸出頻率為600KHz。轉(zhuǎn)臺(tái)理論上以w=399.1033°/s的角速度做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)?！癟”法、“M”法、“M/T”法三種傳統(tǒng)算法中，在高速段“M”法的測(cè)量精度較高、且響應(yīng)最快。因此我們?cè)诟咚俣螌?duì)比“M”法與新型變“M/T”法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示：“M”法曲線受編碼器輸出脈沖信號(hào)量化誤差影響跳動(dòng)較大，新型變“M/T”法穩(wěn)定階段測(cè)量誤差在0.30°/s以內(nèi)，相對(duì)誤差在0.751%以內(nèi)，同樣起到了很好的濾波和抑制量化噪聲的作用。圖9高速段與卡爾曼算法對(duì)比圖4.3勻加速段“M/T”法與新型變“M/T”法的對(duì)比分析信號(hào)發(fā)生器選擇掃頻模式輸出方波信號(hào)，1s內(nèi)由0均勻增加至400KHz，循環(huán)往復(fù)。轉(zhuǎn)臺(tái)理論上1s內(nèi)由靜止勻加速到w=266.335°/s的角速度，“T”法、“M”法、“M/T”法三種傳統(tǒng)算法中，因?yàn)椤癟”法、“M”法有各自的不適用范圍，“M/T”法能使用于整個(gè)速度段，但是在低速時(shí)選擇多個(gè)編碼器輸出脈沖進(jìn)行采樣，會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)性差。新型變“M/T”法能夠根據(jù)速度段的預(yù)測(cè)范圍，選擇下時(shí)刻最優(yōu)采樣方式(低速段選擇“T”法、中高速段選擇“M”法)既能保證測(cè)量精度，又能在低速段具有較好的實(shí)時(shí)性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要明顯優(yōu)于y，法。我們?cè)谠趧蚣铀俣螌?duì)比“M/T”法與新型變“M/T”法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如10、11所示：新型變“M/T”法既能在整個(gè)速度段精確、實(shí)時(shí)地對(duì)速度的測(cè)量，也很好抑制噪聲，減少量化誤差。圖10勻加速段與卡爾曼算法對(duì)比圖圖11勻加速段與卡爾曼算法對(duì)比圖。

第五章結(jié)論本文針對(duì)增量式編碼器測(cè)速中，``M”法、“T”法無(wú)法適用于整個(gè)測(cè)速段測(cè)量和傳統(tǒng)“M/T”法在低速測(cè)量時(shí)實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，提出了一種基于卡爾曼濾波的新型變“M/T”高精度動(dòng)態(tài)測(cè)速算法，對(duì)提高整個(gè)伺服控制系統(tǒng)的性能具有一定的實(shí)際意義。本文取得研究成果以及意義如下：1.在分析比對(duì)了傳統(tǒng)測(cè)速方法中的“M”法、"T”法和“M/T”法等的適用范圍與采樣誤差來(lái)源后，提出了一種基于卡爾曼濾波的新型變“M/T”高精度動(dòng)態(tài)測(cè)速算法，并在數(shù)字信號(hào)控制器上實(shí)現(xiàn)了這一算法。實(shí)驗(yàn)表明，新型變“M/T”高精度動(dòng)態(tài)測(cè)速算法實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)速度段對(duì)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)、精確的測(cè)量。2.將基于卡爾曼濾波的一維轉(zhuǎn)速測(cè)量算法擴(kuò)展為角位移、角速度、角加速度三維測(cè)量，并做了相應(yīng)的仿真分析，提高了信噪比。

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