一种高精度的光电编码器检测方法及其装置

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数据处理模块可将设置模块得到的相关信息转
化成上位机发送数据流．同时对接收数据进行数学 统计．保存在数据表和数据图中．并计算误差值，平 均值。方差等信息．采用全面统计的方法，自动完成 对大量数据的统计和计算，得出数据误差曲线图、误 差分布直方图、圆分布图等直观图表 数据通信模块实时地接收从单片机传来的数 据，处理数据流并获取其中有用的数据，数据流按
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Ｋｅｙ ｗ盯ｄｓ：ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ；ｐｈｏｔｏｅｋｃｔｒｋ肿ｏｏｄｅｒ；ｈｉｇｈ ｐｒｅｄｓｉｏｎ；ｓｔｅｐｐｉ“ｇ ｍｏ【０ｒ
光电编码器具有高精度、高分辨力、低能耗、输 出稳定等优点，在军事、航天、机器人、生物工程等 领域的精密测量与控制设备中得到广泛应用． 目前．国内外多以更高精度的传感器对光电编 码器进行检测．例如，在文献［１］中利用多面体棱镜 作为角度测量的基准，采用精密转台控制光电编码
检测装置的精度至少要高出被测对象分辨率２倍以 上。这里取４倍．即
７＝８／２２． （４）
最坏的情况是，被检测的≈个点都是由于检测 装置的原因产生了△ｙ的误差，那么只由检测装置 引起的检测数据的标准偏差为
万方数据
第１１期
邓方等：一种高精度的光电编码器检测方法及其装置
高精度减速机构可以有效减小系统误差的影 响本系统减速比ｉ＝１０８。设电机的精度为Ｏ．０６４， 通过减速装置。误差被缩小为（５．６×１０－４）。该装 置可控制光电编码器每次转动２．ｒ，远小于１６位绝 对式编码器２旷的分辨率．可以满足对１６位，最高 １８位的光电编码器高精度的测量要求．可以对１６ 位的绝对式编码器一周６５ ５３６个当量进行自动测 量设备的加工误差也可控制在很低的范围，可以 保证整个系统的检测精度．如果采用更高减速比的 蜗轮蜗杆，更小步进角的步进电机，还可以提高检测 装置的分辨率．检测系统原理框图如图ｌ所示．
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则认为这个点是合格点．统计合格点数目，如果占 测量点数目的百分比超过设定值。同时其分布越接 近正态分布，其质量越好．例如合格点数超过９８％， 其余２％的点由于是正态分布的。在宏观上，它们之 间互相抵消误差。不会对整体质量造成影响．这样 的全面统计不是随机统计，而是从根本上全面统计 光电编码器的质量情况．
２．２检测装置组成和功能 装置主要由机械结构，电机及控制，数据采集、 传递和处理，多路电源管理４大部分组成 机械结构主要由本体、蜗轮蜗杆、光电编码器安 装板、联轴器、底座等组成． 电机采用三相混合式步进电机，可选择不同步 进角驱动．可调转向．采用单片机对电机进行控制． 单片机可采集不同接口形式的光电编码器信 号，同时可处理不同码制的编码信号．单片机将得 到的初步信号进行简单处理，可通过多种接口将采 集到的数据传送到Ｐｃ机，由软件进行数据处理，通 过ＰＣ机的人机交互界面选择不同的测量方式和测 量精度等控制信息，这些信息按一定的协议格式传 送给单片机后，由单片机执行具体的控制程序． 此外，单片机还通过显示模块提供测量数据的 实时显示．通过按键进行电机控制，在不接Ｐｃ机的 情况下也可进行简单的半自动检测． 电源管理部分采用２２０ ｖ交流电，压整流到直 流２４ｖ．一部分提供给电机，另一部分再次降为３．３ ｖ’
（１
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占＝３６０。／２”． （１）
从式（７）还可以看出，检测点个数ｎ越大，检测
装置的随机误差对检测效果的影响越小，当ｎ足够
大时，检测精度只与检测装置固有精度有关，所以首
先保证检测装置的精度远高于光电编码器的分辨 率，同时保证检测点数量足够多，以减少检测装置带 来的误差，提高检测的精度与准确度． １．２全面统计检测方法 全面统计检测方法是在最高分辨率检测的基础 上利用统计方法对检测结果进行全面分析 首先，增大样本数量，减少随机误差．最好是每 个当量都能测量，即从随机抽样变成完全抽样，著其 测量误差△ｄ有关系 ｌ△ｄＩ≤ａ，
作者简介：邓方（１９８１一），男，博士生，Ｂｍ“：ｄ曲曲Ｉ｜ｇ＠Ｋｔ“ｃｎ；陈杰（１９６５一）．男＋教授．博士生导师
万方数据
北京理工大学学报
第２７卷
面体棱镜面数的限制，另外，由于高精度的转台和棱 镜成本高，难以推广． 国内多数生产厂采用更高精度的编码器或角度 传感器对低精度的编码器进行检测，成本很高．有 的厂家甚至采用二极管排玎的方式进行检测，而大 多数使用者则根本没有高精度检验装置 为解决光电编码器的快速高精度检测问题，作 者提出一种最高分辨率检测和全面统计检测相结合 的检测方法和装置
即 △，＜占／２ （２）
２检测装置
采用机电一体化装置检测光电编码器
２．１硬件配置原理 （３） 采用单片机控制步进电机输出高精度、可细分 的转动角口；由高精度的蜗轮蜗杆减速器以大速比ｉ 减速，则光电编码器转动的角度为Ｐ／ｉ；由增量式码 盘监控电机运行情况．转动角度可以根据系统的设 置算出，只需读取光电编码器的读数就可以得出其 精度。这样就绕开了使用更高精度光电编码器或多 面体棱镜对光电编码器进行精度检测的方法．
第２７卷第ｎ期 ２００７年１１月
北京理工大学学报
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文章编号：１００１．ｏ“５（２００７）１１一。卯７一０５
一种高精度的光电编码器检测方法及其装置
邓方１一，
陈杰１一，
陈文颉１，一，
池澄１
（１＿北京理工大学信息科学技术学院自动控制系，北京１０∞８１； ２．北京理工大学信息科学技术学院复杂系统智能控制与决策教育部重点实验室．北京１０００８１） 摘要：为解决高精度光电编码器检测中存在的问题，提出了最高分辨率检测和全面统计检测的方法，并研制了相 应的自动化装置．该装置采用机械传动系统，配合步进电机，以蜗轮蜗杆对步进电机的输出角位移进行细分，提高 丁电机的控制精度，实现丁高精度的测量；由Ｐｃ作为上位机，单片机作为下位机对检测系统进行控制和数据采集， 实现了测量的自动化；采用最高分辨率检冽和全面统计的方法在Ｐｃ机上进行自动数据分析，实现了分析的自动 化实例检测表明．该系统实现丁对最高迭１８位的各类光电编码器静态和动态自动、快速、全面、精确的检测且 较功能相同的系统成本大幅降低。 关键词：检测系统；光电源自文库码器；高精度；步进电机 中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ
被检测光电编码器分辨率２２倍及以上才不会影响
基于最高分辨率的检测 设准确数据为ａ，检测装置产生的最大误差为
其次，在实际检测过程中，可先进行大角度检
验．每度检测一个点，再对每一个当量进行检测，找 出误差所在，对个别误差较大的点进行修正
△ｙ，由检测装置引起的光电编码器输出值最大可能
偏差为２△ｙ，为使这个偏差不影响分辨率，有 （Ⅱ＋△ｙ）一（口一△ｙ）＜占，
图２系统软件框图
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３．１单片机软件设计 如图２所示单片机主程序包括单片机初始化程 序、各个硬件初始化程序及码制转换程序， 单片机初始化包括输入输出端口初始化、系统 时钟及复位源配置、串口、定时器及总线初始化硬 件初始化程序有显示初始化、电源状态检测等程序．
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一＝［击宝幻；］“２＝母。（南）“２，（ｓ）
取最大误差为检测装置的精度ｙ，式（５）变为
一＝［击耋吖２＝，（南ｒ（６）
要使检测装置的误差不影响检测精度，同时能检测 出最高分辨率，必须使
一＝［击妻，：卜ｒ（尚心¨，，
当ｙ＝占／２”－１，川≥１，”＞１时．式（７）永远成立．
ｌ检测方法和理论
１．１最高分辨牢检测方法 最高分辨率检测是指利用各种检测手段以高于 被测对象最高分辨率的精度进行检测减少检测装 置对检测过程的影响。同时．检’测足够多的点．最好 可以检测光电编码器满足最高分辨率的每一个点． 一个ｎ位光电编码器将一个圆周分成了２” 份。它的分辨率为
收稿日期：２００７—０７—０４ 基金项目：全国优秀青年教师奖资助计螂（２００Ｌ０２４Ｂ）
器转动。使用光电自准直仪保证读数时的位置与多 面体棱镜的某一个面垂直，该方法可以保证测量的 精度，但其自动化程度低，成本高，操作复杂艾华 等［２１在其基础上，加入了自动化操作设备，采用光 电转换设备自动读数，克服了读数和操作复杂的问 题，但这种方法受棱镜精度的影响，测量分辨率受多
（８）
检测点至少在２“个时，才可以对光电编码器所 有点进行检测．将最高分辨率代表的角度作为一个 当量，即当光电编码器每转过一个分辨率的角度时， 对一个圆周而言，相当于转过占＝（３６０／２”）。，对于 二进制数字量，它只在最低位变动，这个最低位的变 动所代表的角度大小称为一个当量大小．从宏观上 讲。一个当量与光电编码器的最高分辨率相当；从微 观上讲。当量的变化便是数字量的最低位的变化所 代表的角度变化．可以证明，检测装置的精度高于
图１检测装置原理框图
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数据通信模块包括串口、并口、总线等不同接口 通信程序．电机控制模块主要由可调频率方波输出 程序和脉冲计数程序组成． 故障检测与诊断模块主要由系统开机自检程 序，故障检测程序，故障报告程序等组成 ３．２上位机软件设计 上位机软件主要完成以下功能：从通信接口获 取下位机采集的光电编码器的数据；对数据进行转 换并保存；动态显示数据．基于以上功能，把整个上 位机软件分成３大模块：人机交互模块、数据处理模 块、数据通信模块． 入机交互模块主要由设置模块、实时显示模块 和实用功能模块组成．设置模块主要完成光电编码 器各种参数设置． 实时显示模块主要显示当前测量数据，电机状 态数据等．实用功能模块包括打印、帮助、生成记录 文件、修改、设定参数、列表、登记、删除等．