光电轴角编码器信号补偿技术的研究进展

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

光电轴角编码器是以计量光栅为位移基准，以莫尔条纹技术为基础的高精度测角传感器，在精密测量和传动控制中应用越来越广泛。随着光电经纬仪、望远镜及航空航天技术对目标快速、精确捕获、跟踪和定位的需要，适用于恶劣工作环境下的高精度、高分辨力绝对式光电轴角编码器已经成为研究热点 。

当前研制光电编码器，单纯依靠刻划更高精度的码盘来提高精度和分辨力，国内受到码盘刻划设备、精密制造工艺等物理因素的极大制约，通常利用莫尔条纹光电信号的细分技术来实现编码器的高精度、高分辨力，但由于光栅制造、照明接收系统及电子学处理部分的误差，提取的莫尔条纹光电信号质量会偏离设计要求，当信号波形参数与处理电路参数不匹配时，产生细分误差，直接影响编码器的测角精度-展编码器信号 自适应补偿技术研究对于提高光电编码器的测角精度以及保证其在恶劣工作环境下的精确测量具有重要意义。

目前世界上精度最高的编码器是德国海德汉公司研制的27位复合式编码器[2]，采用了多读数头平差 和全周 系统误差 的修正，测角系统精度达 到0.036”，分辨力为 0.01 ，其细分精度指标为 1 ～2 ；日本先进工业科学技术国际研究所研制的自动高精度编码器标校系统也采用了全周精确标校后进行系统误差的修正，标校精度±o.05，[ 。因航天发展的需要，美国NASA的Goddard宇航中心采用全新的光学图形识别技术研制成27位超高分辨力绝对式光电编码器 ]↑几年，为满足航天级仪器设备对小型高精度光电编码器的需求，国内外业界人士又在编码器的码道设计及编码解码方面取得了-定的创新性成果，同时，深人研究光电编码器元器件，采用新工艺、精密加工技术，研制光电器件的阵列等，使编码器的性能得到进-步的提高。光电编码器正朝高精度、高分辨力、高频响、小型化、智能化方向发展 。

1 工作原理高精度绝对式光电编码器主要由数据采集装置和数据处理装置构成，如图1所示，数据采集装置包括：(1)光源系统；(2)码盘；(3)读取狭缝；(4)光敏元件；(5)轴系及固定结构。

(1) (2) (3) (4) (6) (8) (9) (11)图1 高精度光电轴角编码器原理框图Fig.1 Principle of high precision photoelectric rotaryencoder数据处理装置包括：(6)放大电路；(7)比较鉴幅电路；(8)模/数转换电路；(9)微控制器处理系统；(1o)输入接 口电路 。

高精度光电编码器采用莫尔条纹提燃术获取信号，包括粗码、中精码、精码三部分，通常情况下的处理均采用拈化处理，包括：粗码译码、精码细分、精码对中精码和粗码的校正、显示和接口输出拈等，其中细分技术是编码器信号处理的关键技术。

2 细分技术概述高精度光电轴角编码器精码莫尔条纹信号为近似的正弦波，其信号数学模型可用式(1)表示：。i ( )- A0 A1sin(iO i )∑A ·sin(i0磊 )，Ucos( )- B0 B1sin(iO Jib)∑Bf·sin(10Jib) (1)式中：A。、B。为信号直流电平，是直流漂移误差的来源；A 、B 为基波幅值，是等幅性误差的来源； 、 m为信号的相位差，是正交性偏差的来源，而∑A ·sin(i0j5i )、∑B ·sin(i0Jib)是高次谐波分量的总和，是正弦性误差的来源 。

依据编码器幅度细分原理，设编码器在某理论细分点对应的正余弦信号值分别为Asin0、Acos0，则对应的理论细分值为：- tan ( )实际上该点的信号幅值分别为 、U 该点所对应的角度计算公式为：光 电 子 技 术 第33卷成立 ：lqu kzui 七3 1 2 k4u1 七5 2- 1 (6)式中，k ，i-1，25为参数，能够利用最小二乘法来辨识。则编码器信号模型中的参数可以用公式(7)来求解：A。- (7) uB0-A1-/2k1k3-k3k4k；- 4klk2此算法需要计算 5×N的矩阵，其中Ⅳ为采样数量，为得到理想的误差评估，这里的N>2O。编码器在实际工作时，当前光栅周期的误差大小是利用前 10个光栅周期的误差平均值来计算，所以运行此算法是-个非常缓慢的处理过程，无法匹配角度输出的响应时间，不能保证编码器在工作中的智能性与测角可靠性，且最小二乘法仅在噪声为零均值和白噪声的条件下对参数的估计是无偏且-致收敛的，因此，应用最小二乘法无法准确求解信号模型中的待定参数。于是，国内外业界人士纷纷在Heyde-mann补偿模型的基础上进行算法的不断改进与优化，美国天文台提出了海德汉型编码器自适应周期误差补偿方法[1 ，对莫尔条纹原始信号进行基于Heydemann补偿技术模型的椭圆插补；K.K.Tan等人又提出采用Lissajou图形映射的方法来间接减小正弦性偏差对细分误差的影响[1 ，但是当信号中含有高次谐波成分时，运用Lissajou图形观察法不能准确反映出信号的质量；国内天津大学提出以Heydemann模型为基础的光栅信号误差修正方法，华中科技大学、合肥工业大学等人针对李沙育图采用 椭 圆拟合法 对编码器 细分误差进行 系列补偿 。

为克服最小二乘法不收敛的问题，长春光机所洪喜等人提出-种基于径向基函数网络模型的编码器误差修正技术，以采样点的角度值作为网络的输人样本，以编码器的实际检测数据作为学习目标，建立具有良好学习能力和泛化能力的神经网络，很好地解决了非线性误差对系统的影响[15-163；浙江大学提出-种基于正弦函数和粒子群算法的误差补偿及参数辨识方法E17]，构造基于粒子群算法的参数辨识模型，根据模型求解最优的待定常量，解决了关节角度编码器低精度的问题。但此类方法属于编码器工作的后期处理，只能在实验室的条件下进行，不能适应工作现嘲工作环境的变化。

后来，长春光机所罗刚等人提出采用锁相环与软件补偿相结合的方法对信号正交性偏差进行补偿E ]，利用两路精码信号同步采样数据的点积和与正交性偏差呈线性的关系，实时计算正交性偏差量，以正弦信号为基准，对余弦信号进行补偿。这种正交性偏差的测量方法，没有考虑到各精码细分周期内正交性偏差的差异，且补偿时依赖人工操作和外部电路。因此，哈尔滨工业大学吕恒毅等人在此基础上利用编码器精、粗码刻划周期比为常数的关系，构造精码信号智能采样算法，在编码器实际工作中，对所有精码细分周期内的莫尔条纹信号进行实时补偿，提高了编码器的细分精度[1 。

此外，印度S.K.KAUL等人提出基于傅里叶变换理论的谐波分析法[2。。，将高精度光电编码器实际输出的周期莫尔条纹光电信号利用傅里叶级数的展开式表示：/- ao a1COS((cJ1) blsin(∞1f)2COS(20J1 ) b2sin(20J1) a COS( (u1)b.sin(noJ1 ) - a0：[口 cos(rim1t)b.sin(noJ1f)] (8)n- 1当编码器匀速转动时，莫尔条纹光电信号处理系统采集的信号为等间隔的角位置数据，但是在实际的工作现场，编码器通常为变速运动，实际采集的光电信号为非等间隔的时域信号。为了对光电信号进行谐波成分分析，将实际采集的离散信号数据向等间隔的空域信号转换，并利用傅里叶变换理论实现莫尔条纹信号1O次以内谐波的误差补偿。

3.2.2 硬件补偿法基于编码器处理系统的设计原理，日本 日立国际电器株式会社的岗崎敬发明了用于补偿失真的预失真放大器[2 ，建立预失真放大器的拈单元，包括放大单元、功率检测单元、失真补偿表、控制单元以及预失真单元，此发明可实现对输入信号幅值及相位偏差的补偿，且不增大编码器处理系统的体积。

后来，长春光机所熊文卓等人采用相量校正方法对编码器信号正交性偏差进行校正[2引，运用相量的概念来表示信号：/ 、U1-A ，U2-B/ ÷△ l， (9)、 --n ～ ～ .I1 -G第 2期 高 旭，等：光电轴角编码器信号补偿技术的研究进展以正弦信号lf 为基准信号，将余弦信号 分解为O。(Ef )和9O。(。)两个正交分量，通过示波器观察李沙育图对处理电路中的机械电位器和放大器进行调试，消除正交性误差，如图4所示。

O lf，图4 正交性偏差相量校正法示意图Fig.4 Phasor correction of orthogonality deviation由于空间温度的剧烈变化和光电器件的老化，严重影响编码器光电信号的强度，导致粗码译码失败和精码信号质量变差，业界人士又从器件的温度特性方面着手，开展系列补偿方案研究，如发光二极管和光电三极管配对法、热敏电阻补偿法等。随着IT产业的飞速发展，数字化可控器件的不断出现，如可控增益放大器和数字电位计，它们被广泛地应用到编码器的信号补偿中Eza]，通过构建闭环控制系统，如图5所示，运用PID控制算法对光电信号的等幅性偏差、直流电平漂移进行在线补偿。

图5 幅值闭环控制补偿系统原理图Fig.5 Closed-loop control compensation system for am-plitude4 现状分析国内外现有的编码器 自适应补偿技术仍然存在- 些问题，-方面由于算法复杂、运行缓慢，无法匹配角度输出的响应时间，另-方面，大多数方法属于编码器工作的后期处理，只能在实验室的条件下进行，不能适应工作现嘲工作环境的变化。主要是针对直流电平漂移、幅值偏差、正交性偏差等基波部分的误差进行修正，对编码器系统同时含有的正弦性偏差、直流电平漂移、信号幅值偏差、正交性偏差以及四种偏差随主轴旋转发生动态变化的情况，还没有有效的补偿方法。尤其是国内还没有适合工程编码器具体应用的实时补偿方案。发展大 口径、高精度、高可靠编码器技术，探索新理论和开展新的工程编码器信号补偿处理技术，将牵动编码器设计技术的更新和向高速数据处理发展 。

光电编码器本身是-个集光、机、电为-体的综合系统，通常情况下，直接从光电接收元件获得的初始信号需要经过译码、细分、校正拈等处理获得角位移信息，目前，这些功能的拈化处理还没有比较系统的规范设计，因此，整合光电编码器的各个部分，使其输出的光电信号准确反映实际角位移信息显得尤为重要。绝对式光电编码器信号处理的发展趋势是采用集成化智能的电路设计技术，且电路需满足编码器数据后处理条件，将信号解码处理软件拈化、嵌入误差补偿算法，并将电路嵌入到编码器的机械壳内，做到真正的机电-体，还要丰富编码器数据输出的接口形式，以便应用系统的二次开发，例如海德汉编码器EnDat接口[2 ，它不仅能为增量式和绝对式编码器传输位置值，同时也能够传输或更新存储在编码器中的信息，或保存新的信息，如编码器位置值、信号参数、诊断信息等。

近几年，随着光栅加工工艺和光栅扫描技术的改进，研制超高精度、超高分辨力的光电编码器成为可能。当前比较先进的光栅扫描技术是干涉扫描技术[2引，利用精细光栅的衍射和干涉形成位移的测量信号，适用于高密度光栅信号提取，其原理如图6所示。干涉扫描信号基本没有高次谐波，信号质量较高，能进行高倍细分。国内基于干涉扫描技术的产品大多还要依赖国外进口。此外，钢带光栅、钢鼓光栅等金属光栅的发展与应用[26-27]更提高了光电编码器的抗冲击性、稳定性及可靠性。

圯电检测器占号光栅图6 干涉扫描原理示意图Fig.6 Principle of interferential scanning随着编码器设计理论的不断创新，单圈绝对式编码器、图像编码器、光纤编码器等新型编码器纷纷涌现，其 中基于图像识别的编码器被陆续应用于NASA的哈勃空间望远镜及对地观察系统中，逐渐成为实现高精度、高分辨力编码器的有效途径。

l36 光 电 子 技 术 第33卷5 结束语为提高光电编码器的空间适应性、可靠性和可维护性，本文从光、电两方面，研究了国内外关于莫尔条纹光电信号补偿技术的发展现状，通过对典型的自适应补偿方案进行分析，指出了其中存在的问题，并揭示莫尔条纹信号实时补偿技术将成为工程编码器应用的迫切需求，实时性的具体实现方案将进-步推动着编码器的电子学处理向着集成化、智能化的方向发展。同时，金属编码器、图像编码器、光纤编码器等新型编码器将逐渐成为未来编码器领域的研究热点。

希望本文的研究能为国内相关研究人员提供-定的参考，为航空航天事业做贡献。