小型光電編碼器的高分辨率細(xì)分技術(shù)概述小型光電編碼器的組成及原理小型光電編碼器細(xì)分誤差分析高分辨力的電子學(xué)細(xì)分方法2023/9/22023/9/2§1.概述定義：光電編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的精密角度測量裝置，又被稱為光電角位置傳感器。原理：光電編碼器以光柵莫爾條紋技術(shù)為基礎(chǔ)，以高精度計(jì)量圓光柵為角位移檢測基準(zhǔn)，通過光電轉(zhuǎn)化技術(shù)將被測的空間角位置轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼。功能：可以實(shí)現(xiàn)角位移、角速度、角加速度及其他物理量的精確測量。特點(diǎn)：具有分辨率高、精度高、智能化以及使用可靠、無接觸測量、易于維護(hù)。應(yīng)用領(lǐng)域：在國防、航空航天中廣泛用于精密測量和實(shí)時(shí)控制。工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)：小型化、智能化、高分辨力、高精度和高頻響。

2023/9/2§2.小型光電編碼器組成及原理

1.組成結(jié)構(gòu)小型光電編碼器由數(shù)據(jù)采集和處理兩部分組成，如圖1所示，數(shù)據(jù)采集裝置包括：光學(xué)照明系統(tǒng)、矩陣式碼盤、狹縫、光敏元件、軸系及固定結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)處理裝置包括：放大電路、比較電路、單片機(jī)處理系統(tǒng)、RS422通訊接口電路及LED顯示電路。圖1小型光電編碼器結(jié)構(gòu)

2023/9/2§2.小型光電編碼器組成及原理

2.原理及工作過程原理：小型光電編碼器設(shè)有一個(gè)粗碼讀數(shù)頭和兩個(gè)精碼讀頭。粗碼讀數(shù)頭讀取碼盤內(nèi)圈的矩陣碼信息，獲取粗碼號(hào)。兩個(gè)精碼讀數(shù)頭被對(duì)徑安裝在最外圈精碼碼道位置上，讀取精碼信號(hào)，兩路精碼數(shù)字量對(duì)徑相加后，可以減少軸系晃動(dòng)及碼盤安裝偏心的影響。工作過程：

矩陣碼盤隨軸系旋轉(zhuǎn)光電接收器件放大器和比較器單片機(jī)（粗碼譯碼、精碼細(xì)分、精粗校正）光源顯示通信接口2023/9/2§3.小型光電編碼器細(xì)分誤差分析

高分辨力編碼器細(xì)分誤差可以分為信號(hào)直流分量誤差、幅值誤差、相位誤差、諧波分量誤差、噪聲誤差和量化誤差等。碼盤精碼光電信號(hào)的提取一般采用莫爾條紋技術(shù)獲得兩路正交信號(hào)，波形為準(zhǔn)正弦波，兩路精碼信號(hào)的完整函數(shù)表達(dá)式為：

其中A0和B0為直流分量，是直流分量誤差的來源；Am和Bm為基波信號(hào)的幅值，是信號(hào)幅值誤差的來源；兩路信號(hào)的相位差是相位誤差的來源；為高次諧波分量的總和，是諧波分量誤差的來源；δe為電噪聲，是噪聲誤差的來源；由于編碼器角度數(shù)據(jù)由數(shù)字代碼表示，因此產(chǎn)生量化誤差。2023/9/2§4.高分辨力的電子學(xué)細(xì)分方法

1.細(xì)分方法及細(xì)分精度影響因素電子學(xué)細(xì)分分為硬件細(xì)分和軟件計(jì)算法細(xì)分。硬件電路細(xì)分：幅度調(diào)制型細(xì)分和相位調(diào)制型細(xì)分，二者都存在電路過于龐大復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)較高細(xì)分份數(shù)的問題。軟件計(jì)算法細(xì)分：把編碼器光電信號(hào)通過A/D變換，將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，然后送入微機(jī)或微控制器中，依靠軟件程序計(jì)算的方法來實(shí)現(xiàn)，該方法的細(xì)分份數(shù)是由光電信號(hào)質(zhì)量及A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)及精度來決定的。2023/9/2§4.高分辨力的電子學(xué)細(xì)分方法

2.高分辨力電子學(xué)細(xì)分小型光電編碼器用圓光柵進(jìn)行測量時(shí)，其角度值θ為：式中：P為圓光柵的柵距；N為正弦周期信號(hào)的周期數(shù)；△θ為不足一個(gè)正弦周期的小數(shù)部分。為了進(jìn)一步提高角度θ的分辨力，需要對(duì)△θ進(jìn)行細(xì)分。光電編碼器的精碼信號(hào)就是光柵副相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后形成的一個(gè)周期的正(余)弦信號(hào)us、uc。電子學(xué)細(xì)分就是對(duì)精碼信號(hào)進(jìn)行細(xì)分以獲得更高的分辨力及精度。

2023/9/2§4.高分辨力的電子學(xué)細(xì)分方法

3.高分辨力電子學(xué)細(xì)分首先，將兩路精碼信號(hào)us、uc送入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換采集，然后，利用存儲(chǔ)在單片機(jī)中的修正系數(shù)1/a和b/a對(duì)這兩路精碼信號(hào)進(jìn)行修正，得到兩路正交的正余弦精碼信號(hào)，分別為：

2023/9/2§4.高分辨力的電子學(xué)細(xì)分方法

3.高分辨力電子學(xué)細(xì)分由公式(7)可知細(xì)分角度值θ與合成函數(shù)值tanθ一一對(duì)應(yīng)，在確定細(xì)分角度θ的同時(shí)，又可以減小振幅波動(dòng)對(duì)光電信號(hào)質(zhì)量的影響。令N代表總細(xì)分?jǐn)?shù)，Tn代表某一相角θ所對(duì)應(yīng)的細(xì)分值，即得到優(yōu)化的細(xì)分公式(9)，公式中增加了對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差的修正。2023/9/2§4.高分辨力的電子學(xué)細(xì)分方法

3.高分辨力電子學(xué)細(xì)分

2023/9/2§5.小結(jié)

小型光電編碼器的高分辨力細(xì)分技術(shù)，在不增加小型光電