小型便攜式高分辨率轉角誤差標定裝置

王凱旋，呂英俊，王亞洲，李合意，于 海

(1.山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東濟南 250000；2.長光衛星技術有限公司測試與通信技術研究室，吉林長春 130000；3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033)

0 引言

光電編碼器作為一種能夠將轉角位移轉換為數字化角度信息的測量裝置，以其高精度、高分辨力、高可靠性而被廣泛應用[1-3]。在出廠前對編碼器產品的測試，是測試產品性能的重要環節。

目前對于光電編碼器的誤差測試方法主要包括：角度基準標定法和多面棱體標定法[4-6]。其中，多面棱體標定法采用多面棱體與被測光電編碼器主軸同軸連接，并由激光自準直儀對其轉角進行標定。這種方法適用于對高精度和高分辨率的被測編碼器誤差標定。角度基準標定法是采用高精度的角度基準實現對被測光電編碼器的誤差標定，這種方法適用于分辨率不高的被測產品。由于小型光電編碼器的分辨率一般不高于16位，傳統方法對于小型產品的誤差標定多采用角度基準標定法。將被測光電編碼器與角度基準同軸連接，通過手動轉動主軸實現對多個采樣點的誤差采集。采用手動轉動方法，完成被測光電編碼器的誤差標定非常耗時耗力；人工記錄誤差數據存在一定的讀數誤差；高精度的角度基準一般體積龐大且笨重，不適合攜帶和移動。

文獻[7-10]在光電編碼器誤差標定上做出了研究。但是這些檢測方法大多只適合在實驗室條件下進行檢測，無法應用在工作現場。急需開展簡單易行、精確可靠、便攜的光電編碼器誤差標定技術研究。

為提高誤差標定效率，本文研制了一種高分辨便攜轉臺。首先，采用圖像角位移識別技術，設計了高精度、高分辨率的角度基準，實現小體積的角度基準設計；然后，采用直流電機帶動被測編碼器與角度基準同軸連接，搭建了光電編碼器誤差標定系統。最后，根據系統功能設計各任務函數，并基于嵌入式操作系統μc/os對任務函數進行調度，實現電機定位、誤差標定、顯示及人機交互。經過測試，本文所設計轉臺的分辨率為0.15″(23位)，不確定度為4.63″。轉臺能夠對分辨率不高于16位的小型光電編碼器產品進行誤差標定。所設計的轉臺具有便攜、易操作、分辨率高等優點，滿足批量生產時對光電編碼器的快速誤差標定需求。

1 設計原理

1.1 轉臺的搭建

設計的轉臺是面向小型絕對式光電編碼器產品的誤差標定環節的。小型被測編碼器的分辨率一般不高于16位，精度不低于60″。綜合考慮，角度基準標定法非常適用于對本文中被測光電編碼器的誤差標定。采用角度基準標定法設計的轉臺原理如圖1所示。

圖1 轉臺原理圖

工作時，直流電機通過聯軸節與角度基準連接，用以控制轉動。被測編碼器通過彈性聯軸節與角度基準同軸連接。當電機控制角度基準轉動時，被測編碼器與角度基準同軸轉動?？刂齐娤漭敵鯬WM方波控制電機的轉速，同時采集被測編碼器和角度基準的數據，做差后得到誤差數據，并將其顯示在液晶屏幕上。

1.2 角度基準設計

在傳統的誤差標定方法中，采用高精度光電編碼器作為角度基準。但是傳統的高精度編碼器具有較大的體積，并不適用于便攜裝置。圖像角位移識別技術是一種角度測量技術，它采用圖像傳感器實現對標定光柵上標線的識別，進轉而實現“譯碼”和“細分”的運算。由于采用密集的像素信息代替傳統的光電接收元件，進而采用數字化圖像處理算法代替了傳統的“莫爾條紋細分”技術，在計算角度位移時更容易實現高分辨率和高精度。角度基準原理如圖2所示。

圖2 角度基準原理圖

圖像傳感器與標定光柵的縱向距離小于1 mm，使平行光源照射標定光柵時將光柵上的圖案投影到圖像傳感器上。處理電路通過對圖像傳感器接收到的像素數據的處理計算，實現“譯碼”和“細分”。

1.2.1 標定光柵設計

圖3為標定光柵標線圖案的原理圖，標定光柵圓周內包含有29=512條基準標線。為實現編碼，光柵標線分為“寬基準標線”和“窄基準標線”，分別代表編碼元“0”和“1”。所有的編碼元按照M序列偽隨機碼的編碼方式，即每一個編碼元都是由前9個編碼元的之間的異或計算得到。設第i個碼元為mi，那么mi可以通過式(1)進行計算。

mi=mi-4?mi-9

(1)

式中?表示異或運算。

設初始值{m1,m2,…,m9}={0,0,…,0,1}，通過式(1)的計算，共得到29個編碼元。每相鄰的9個碼元{mi,mi+1,…,mi+8}為一組編碼值，其對應的譯碼值就是i。將這些編碼元對應的“寬、窄標線”按照等間隔等半徑位置刻劃到圓光柵上，形成了9位標定光柵(圖3中所指示的編碼為“111011100”)。

圖3 標定光柵標線圖案原理圖

1.2.2 細分算法

為了進一步在相鄰的標線之間實現“細分”計算。處理電路將根據圖像傳感器的圖像信息計算相鄰標線之間的位移。圖4為標定光柵細分區域的示意圖。

圖4 細分原理

圖4中，O為光柵圓心，L1和L2分別為光柵上相鄰的兩條標線，A和C分別是L1和L2刻線的質心。根據小角度近似，圖中角度θ與兩基準標線夾角的比值可以計算為[11]

(2)

A、C兩點的位置可以通過“質心算法”計算得出。2m的取值越大，所實現的細分分辨率越高。文中取2m=214。那么角度基準所實現的分辨率為9+14=23位，即0.15″。

2 基于μc/os的控制原理

μc/os操作系統，具有可讀性好、實時性能強、可裁剪和可移植性強等優點[12-13]。用戶通過設置不同優先級的任務函數，可以通過調度內核實現對各優先級函數的調度。

為實現轉臺對被測光電編碼器的誤差標定，處理電路的工作主要分為：接收角度基準數據、接收被測光電編碼器數據、控制電機實現定位、顯示數據、接收按鍵信息、識別指令信息和發送指令信息。采用μc/os操作系統對這些工作進行調度時，需要設定好任務函數。根據需要，本系統的任務函數主要如下：

(Task1)初始化配置任務，優先級1；

(Task2)被測數據接收任務，優先級4；

(Task3)角度基準數據接收任務，優先級4；

(Task4)按鍵識別和指令發送任務，優先級2；

(Task5)液晶顯示任務，優先級5；

(Task6)電機驅動任務，優先級3。

以上6個任務的優先級數字越低，代表調度內核越優先執行該任務。為實現數據的同步接收，被測數據和基準數據的接收優先級相同。μc/os內核對各個任務的調度原理如圖5所示。

圖5 各任務函數調度原理

圖5中，任務越靠外圈，其優先級越低。在上電工作時，操作系統內核首先調度任務1進行工作，對系統進行初始化設置，包括：液晶的初始顯示、電機的驅動初始化等工作。完成初始化后，操作系統將調用刪除指令“刪除”任務1，即不再執行任務1。其他任務將按照各自優先級依次運行，每個任務的執行間隔設置為1 ms。

3 電機驅動原理

在對被測光電編碼器進行誤差標定時，需要采用電機帶動角度基準旋轉到指定的角度值，實現對當前位置的測角誤差標定。因此，本文采用PID閉環控制模型對電機的定位進行控制。其原理如圖6所示。

圖6 電機控制模型

控制模型將以角度基準的數值作為反饋，通過比較“給定角度值”與“角度基準”的差值，以PID控制模型進行計算，得出控制電壓(PWM占空比)，實現對直流電機的控制。此外，在電壓輸出端加入了“電壓限制”，并設置最高電壓U1和最低電壓U2，防止電機失控。

4 轉臺性能測試

所設計轉臺的高度為110 mm，直徑為90 mm。所設計的角度基準的直徑為80 mm，分辨率為0.15″(23位)。驅動電機為安裝有蝸輪蝸桿的直流有刷電機，其最低轉速可以達到5°/s。所有的控制電路全部封裝在系統電箱中。所設計轉臺的實物圖如圖7所示。

圖7 轉臺實物圖

在電箱面板上包括：二進制數值顯示燈、液晶屏和按鍵。其中，二進制數值顯示燈負責實現對被測光電編碼器和角度基準輸出數值的實時顯示，液晶屏上顯示當前設定的轉角位置和誤差數值。4個按鍵分別為：正轉、反轉、角度基準清零和速度控制。

4.1 角度基準性能測試

為驗證所設計角度基準的性能，采用24多面體和激光自準直儀對所設計的角度基準進行誤差測試。所測試的誤差如圖8所示。

圖8 角度基準的誤差

對圖8中的誤差數據進行標準差運算后，得到所設計的角度基準的精度評估指標為4.62″。該指標滿足設計需求。

4.2 定位測試

為測試轉臺系統的定位性能，通過電箱上的按鈕控制電機轉動，分別每隔30°實現一次定位，并記錄下完成定位時角度基準的數據與給定角度的差值，如表1所示。

表1 定位測試結果

表1中差值數據的標準差為0.26″，該數值較小，滿足使用要求。

4.3 不確定度分析

影響誤差標定準確度的因素主要包括：角度基準誤差、定位誤差以及機械安裝誤差。機械安裝帶來的誤差主要是被測光電編碼器與角度基準的同軸度。在安裝時，轉臺的同軸度在±0.1 mm以內。同軸度的影響很小，可以忽略。因此，所設計的轉臺的不確定度為

(3)

5 實驗

5.1 對比實驗

實驗采用的被測編碼器為小型絕對式光電編碼器，其外徑為40 mm，設計指標為16位分辨率，精度優于60″。采用轉臺對該編碼器進行誤差標定，并與采用傳統誤差檢測裝置的標定數據進行對比，結果如圖9所示。

圖9 數據對比結果

圖9中，采用轉臺的誤差標準差為54.31″，傳統裝置標定的誤差標準差為53.99″。同時，通過誤差曲線對比可以發現，兩者的誤差變化趨勢相同，這表明本文所設計轉臺的誤差標定結果可信。

5.2 重復性實驗

采用轉臺對被測光電編碼器進行3次誤差標定，所測得的誤差數值如表2所示。誤差的標準差分別為53.34″、55.21″、56.39″?？梢钥闯?，3次的標定結果相近，設計的轉臺重復性良好。

表2 重復性實驗結果

6 結論

為實現批量生產時，對小型光電編碼器產品的誤差標定，設計了一種高分辨率的誤差標定轉臺。首先，采用對比法搭建了光電編碼器誤差標定系統；然后，采用圖像式角位移識別技術設計了高精度的角度基準；最后，基于μc/os操作系統調度內核，設計了轉臺控制電路。實驗表明，本文所設計的誤差標定轉臺能夠準確實現對被測光電編碼器的誤差標定。