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1、 光电编码器论文：高速矩阵光电编码器的研究【中文摘要】光电轴角编码器作为一种集光、机、电于一体的角位置传感器,具有分辨率高、测量精度高、形式多样等优点,被认为是一种较为理想的光电角位置传感器,已广泛应用于现代工业、航天航空等领域。随着控制技术的发展和高精密测量需要的增长,光电轴角编码器不断地致力于向小型化、高精度、高分辨率、高频响方向的研究与突破。本文对高速矩阵光电编码器进行研究：进行了光电轴角编码器的结构设计,重点介绍了主轴系统、光电照明及接收元件的设计和选材。对矩阵光电编码盘的码道刻划方式及矩阵码的译码和精粗校正原理进行了研究,推导出矩阵译码及精粗校正的逻辑方程组,进而设计了13位矩阵编码
2、盘。采用矩阵编码方式,可在很大程度上减小编码盘径向尺寸,有利于高位光电编码器的小型化。对高速矩阵光电编码器的数据采集及处理系统进行了设计,以DSP为主控芯片,对系统进行整体控制,并完成对信号的采集及细分校正等高速运算处理,缩短了数据运算处理周期,提高了系统响应速度；选用高性能A/D转换器对光电信号进行A/D采样和传输,简化了模数转换电路的硬件空间,提高了系统的稳定性和可靠性；采用CPLD代替传统微处理器外围大量的集成电路,并在CPLD内完成矩阵码的译码,节省了系统的硬件空间,减少了工作时间；选择基于DSP和专用接口芯片的USB通讯,实现DSP与上位机间数据的高速实时传输。该系统实现了光电编码器
3、的高速信号采集与处理,可以大大提高系统的响应速度。进行了光电编码器的误差分析,在光电信号质量和软件细分等方面系统地分析了光电编码器的误差原因,研究了细分误差的计算方法,考虑到数字信号处理器强大的数据处理能力,介绍了利用离散傅立叶变换进行编码器细分误差计算与补偿的方法。最后对高速矩阵编码器进行了精度检测,21位高速矩阵编码器理论分辨率0.618”,精度检测结果均方根=1.89”,可以满足角位移动态检测和实时控制要求。【英文摘要】Photoelectric shaft encoder is used to be an angle displacement photoelectric sensor,
4、 with the advantages of high resolution, high measuring accuracy and diversified forms, photoelectric encoder is viewed as an ideal angle positon sensor, thus has widely application in modern industries, aeronautics and astronautics field relative.As long as the development of modern control technol
5、ogy and the growing inquire of high measuring accuracy, we are continuous studying on the photoelectric encoder with smaller structure, high accuracy and high resolution.This paper focused on the high-speed matrix photoelectric encoder study:The composition and operational principle of the photoelec
6、tric encoder isdesigned, and the structure of the matrix encoder is designed, mainly about the spindle system, optical lighting element and the incept element.Based on studying the coding mode and coding theory of matrix coded disk, designed the 13 bit matrix coded disk, deduced the matrix coding an
7、d adjust logic equation set. The radial dimension of the disk is sharply reduced with the use of the matrix coding mode.Designed the high-speed data acquisition and processing system of the matrix photoelectric encoder both on the hardware circuit and the software program. Choose the DSP as the mast
8、er control chip, taken the charge of the whole system control, accomplished the data acquisition and the operation of subdivision and adjusting, thus improved the system work efficiency; made use of the high performance A/D device for the signal sampling and communication, predigested the hardware s
9、pace and improved the system stability; the vast integrated circuit in traditional system is displaced by CPLD, therefore saved the hardware space, and the matrix transcoding processing was also taken in the CPLD, sharply saved the work time because of the high flexibility of CPLD; finally achieved
10、the high-speed data communication based on the DSP and the USB interface chip.The factors effecting on the encoder are analyzed and given, some advice is presented to improve the encoder system.The theoretic angle resolution of a 21-bit encoder is 0.618”, and the real accuracy of this 21-bit matrix
11、encoder was 1.89”, therefore, it realized high-accuracy test of angle position and satisfied the needs of high-accuracy measurement field.【关键词】光电编码器 矩阵编码盘 高速数据采集 高速通讯 USB接口芯片 DSP【英文关键词】photoelectric encoder matrix coded disk high-speed data acquisition high-speed communication USB interface chip DSP
12、【目录】高速矩阵光电编码器的研究摘要4-5ABSTRACT5目录6-8第一章 绪论8-131.1 引言81.2 国内外研究现状及发展趋势8-101.2.1 光电编码器的发展历史8-91.2.2 研究现状9-101.2.3 发展趋势101.3 论文研究目的和内容10-13第二章 高速矩阵编码器的结构设计13-252.1 光电编码器结构设计原则13-142.2 主轴系统14-222.2.1 主轴系统设计的基本原则及轴系的基本概念14-172.2.2 主轴系统的分类17-182.2.3 全滚动式轴系18-222.3 照明和接收系统22-252.3.1 照明系统22-232.3.2 接收部分23-25
13、第三章 光电编码盘的设计25-403.1 光栅莫尔条纹技术25-273.1.1 莫尔条纹的形成253.1.2 光栅信号25-263.1.3 莫尔条纹的特点26-273.2 传统光电编码盘27-293.2.1 二进制编码盘的表示方式283.2.2 循环码盘的表示方式28-293.3 矩阵编码盘的设计29-353.3.1 矩阵编码盘的码道设计29-313.3.2 光电读数头的安置31-323.3.3 矩阵码译码原理32-333.3.4 粗码、精码和狭缝设计33-343.3.5 校正码和校正原理34-353.4 13位矩阵光电编码盘的设计35-403.4.1 13位矩阵编码盘码道及读数头的设计35-
14、373.4.2 矩阵译码原理37-393.4.3 13位矩阵编码器的校止原理39-40第四章 高速矩阵编码器的信号采集与处理系统设计40-554.1 系统硬件设计40-494.1.1 系统主要芯片的选择41-424.1.2 数字信号处理器TMS320VC540242-434.1.3 信号放大与整形43-444.1.4 基于DSP的高速A/D采样44-464.1.5 基于CPLD的高速矩阵译码464.1.6 基于DSP和专用接口芯片的USB高速数据通讯46-484.1.7 电路噪声抑制和抗干扰问题分析48-494.2 软件程序设计49-554.2.1 A/D转换子程序设计504.2.2 计算法细分及精码细分子程序50-534.2.3 USB数据通讯程序设计53-544.2.4 上位机程序设计54-55第五章 高速矩阵光电编码器的误差分析55-675.1 理论误差555.2 长周期分度位置误差55-585.2.1 误差影响因素55-575.2.2 长周期误差因素对光电信号的影响57-585.3 细分误差58-615.3.1 莫尔条纹光电信号质量引起的细分误差58-605.3.2 A/D转换器引起的细分误差60-615.4 细分误差的计算与补偿61-675.4.1 传统lissajou图形观察法评估细分误差61-62
