基于FPGA增量式编码器的接口设计与实现

光电增量式编码器,又称光电角位置传感器,是电气传动系统中用来测量电动机转速和转子位置的核心部件。分析了光电编码器4倍频原理,提出了一种基于可编程逻辑器件FPGA对光电增量式编码器输出信号4倍频、鉴相、计数的具体方法,它对提高编码器分辨率与实现高精度、高稳定性的信号检测及位置伺服控制具有一定的现实意义。经实际项目论证,该...     

高分辨率光栅精密定位系统研究

为了使光谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer, OSA)能精确测量窄谱宽光信号,要求光栅转动一圈分辨200万个点。设计了一种基于衍射光栅、直流无刷电机(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)和光电编码器的高分辨率光栅定位系统。实现了基于比例-积分-微分(Proportion Integration Differentiation, PID)的高精度闭环调速控制技术,以驱动BLDCM带动光栅的转动。同时,高精度光电编码器快速检测并反馈光栅的角位置,细分电路对编码器的输出信号作进一步细分。将输出信号的分辨率从16000点/圈提升至2048000点/圈,极大地提升了光栅定位系统的整体分辨率。通过实验测试了光栅扫描速度、波长重复性和波长准确度等性能指标,验证了光栅定位的精度和分辨率。     

光电编码器信号传输的光纤实现

为了提高光电编码器输出信号在特定应用系统中的抗干扰能力,通过分析研究绝对值型和增量式光电编码器的输出信号形式,提出了采用相应的光电转换器件将电信号转换为光信号进行传输,实验结果表明方法可行,传输信号稳定并能可靠转换,提高了编码器输出信号的抗干扰能力。     

小波变换实现的光电编码器精确实时测速

光电编码器作为速度反馈器件,在工业、航空航天、军事等领域应用广泛。其速度检测的准确度和响应时间直接影响了整个控制系统的性能。为此,研究了一种编码器测速信号小波变换算法,该算法能够减弱噪声和干扰的对测速精度影响。将该算法应用于某航天编码器中,改善了其控制系统的动态响应和稳态精度。具有算法简单、占用资源少、耗时短、算法通用等特点,并且可以推广到其他编码器研制中。同时,还设计了一中光电编码器速度检测系统,能够实现对光电编码器测速精度的检测。实验表明:该算法应用到编码器中,将测速误差从6.956（）/ms降低到0.370 7（）/ms。     

莫尔条纹光电信号细分误差的实时补偿

为了保证高精度光电轴角编码器在恶劣工作条件下的细分精度,设计了基于高分辨率数字电位计的实时补偿处理系统。依据莫尔条纹光电信号的数学模型,说明了由信号等幅性偏差和直流电平漂移引起的细分误差的空间分布特征,并得出误差规律及计算公式,从编码器的光机装调、码盘均匀性、光敏元件调试等制作环节出发,指出了编码器光电信号细分误差的根本特性;受高精度光电编码器分辨力的约束,从编码器光敏元件输出莫尔条纹信号的形式出发,构建了分辨率为0.1 的数字电位计查找表;并设计了实时补偿的关键算法。以23位光电编码器为实验对象,在-40～60 ℃条件下对补偿处理系统测试,实验结果表明:直流漂移1.2%,等幅性2%,且自动补偿时间约为3 s,满足编码器分辨力（0.154）和工作实时性的要求。该方法可实际应用于编码器系统,能够提高编码器的环境适应性和测角可靠性。     

单圈绝对式光电轴角编码器译码技术

单圈绝对式编码器相比于增量式编码器及传统的绝对式编码器有独特的优势,其关键技术在于译码系统的设计及译码算法的研究。为了提高单圈绝对式编码器集成度、响应速度及精度,设计了译码系统,该系统采用线阵CCD作为码盘图像光电转换装置,并利用FPGA实现电路控制及译码算法。同时提出了新的译码算法,该算法一方面将CCD输出信号二值化后的电平信号高电平计数,判断组合得到粗码信息;另一方面应用质心法进行细分定位,通过计算条纹质心与虚拟中心的偏差得到细分角度值。最后,通过两者结合得到角度信息。基于该系统研制的经纬仪样机精度达到2。     

非均匀采样光电编码器莫尔条纹信号分析方法

为实现高精度光电编码器非匀速转动时动态细分误差的检测,提出了一种基于非均匀采样的莫尔条纹光电信号分析方法.首先,利用曲线拟合的最小二乘法将采集到的编码器非均匀信号数据重构出真实的信号波形.然后,根据离散傅里叶变换算法分析重构信号,同时推导出信号的频率、幅值和相位的计算表达式,运用软件仿真评估算法可行性.最后,采用该方法对某21位绝对式光电轴角编码器精码信号进行分析,根据信号参数与细分误差的关系获得动态细分误差,其细分极值误差为+2.41"和-3.08".实验结果表明,该方法利用信号重构和傅里叶变换算法得到信号参数,真实的反应了莫尔条纹信号质量,在编码器非匀速转动时,可有效地测量动态细分误差,为实际工作现场编码器精度误差的实时检测奠定了基础.     

光电编码器的动态误码检测系统

为了实现对光电编码器在动态状态下的误码检测，提高批量生产时对光电编码器的误码检测速度，设计了光电编码器动态误码检测系统。首先，对光电编码器误码产生原因进行了分析，并对光电编码器误码进行特征识别。其次，针对光电编码器误码的特征，采用微分方法对光电编码器进行动态误码检测。然后，搭建了光电编码器动态误码检测系统，设计了软硬件电路。最后，对所设计光电编码器动态误码检测系统进行实验验证。实验表明:所设计的动态误码检测系统能够实现对0~8 r/s转速下光电编码器的误码检测，检测结果直观、准确。检测系统极大的提高了批量生产光电编码器时的检验速度。     

脉冲信号测速电路模块设计

基于51单片机的转速测量系统通过光电编码器对电机脉冲信号进行采集,实现对脉冲信号的产生、整形,完成对单片机处理后信息的输出和显示,可对电机转速进行远程控制。键盘模块调节设置初始转速上限,当转速大于上限则声光报警。由于采用了单片机和光电传感器,该系统具有硬件电路简单、测量精度高、性能稳定可靠等优点,适用于自动控制、自动检测及各种转速测量与控制领域。     

简易修正角误差的回复反射器CIL测试系统

介绍了一种单探头式汽车回复反射器发光强度系数(CIL)检测的基本原理、系统结构和实测过程。为了实现对检测系统中转台角误差的快速修正,提出一种简捷修正方法:提取转台运行前后指令参量与反馈参量符号,利用步进电机驱动卡能够根据输入参量的正负确定电机及转台转动方向的特点,不要求对光电编码器的输出脉冲进行判向,只需记录脉冲个数。这使转台方位及俯仰角误差判断变得容易、光电编码器反馈回路得到简化;简捷的修正方法使得多次反复修正成为可能,应用中不必再考虑转台回程误差的不均匀性,一般通过2次补偿即可达到所需角精度,甚至达到由光电编码器单个反馈脉冲所决定的角精度极限,克服了单纯依靠机械加工、装调来保证角精度的不足,将回复反射器CIL测试系统中的转台角精度由原来0.090°提高到0.024°。实践证明,此方法简便高效。     

光电编码器动态误差评估系统

在批量生产小型光电编码器的过程中,出厂检验不仅要对光电编码器动态误差进行检测,也要对不达标编码器进行误差溯源及修正。在实现对光电编码器高、低转速下的动态误差检测的同时,需要快速的定位光电编码器动态误差超标的原因,使生产者能够根据误差超标原因对编码器进行调校。为此,提出了光电编码器检测方法及评估方法,设计了小型光电编码器动态误差检测及评估系统。首先,从低、中、高频率方面对光电编码器误差组成分析,明确了各频率误差的产生原因;然后,提出了采用AR模型谱估计法对动态误差进行评估的方法,并根据误差评估结果给出误差产生因素判定;最后,设计了小型光电编码器动态误差评估系统,实现了对光电编码器的动态误差检测,并给出误差评估结果。所设计的检测系统工作转速范围为0.5~8 r/s,检测精度优于2;误差评估系统能够清晰的显示出动态误差在各频率下的均方值,使生产者能够轻易地找到不达标编码器的调校方法。该系统准确可靠、显示直观,为批量生产光电编码器提供了简单有效的检测评估手段     

Direct torsion control of flexible shaft in an observer-baseddiscrete-time sliding mode

This paper presents a new speed control method for a two-mass system coupled by a flexible shaft. Two control loops are proposed; the outer angular speed control loop calculates the reference signal for the inner loop, where the torsion of the shaft is handled as a variable under control. In this paper, the observer-based discrete-time sliding-mode (ODSM) control implementation and experimental verification of direct torsion control is presented. The experimental system consists of a conventional DC servo gear motor with encoder feedback and inertia load coupled by a flexible shaft. The controller was implemented using a transputer as the computation engine     

光电位移信号新型细分方法及系统设计

为提高光电轴角编码器的分辨力,提出一种新型莫尔条纹信号细分方法并建立基于FPGA的光电位移信号倍频系统.根据理想莫尔条纹光电信号的数学模型,利用多倍角正余弦信号的函数性质,将原始莫尔条纹信号推导为n倍频的高阶信号;由幅值细分理论,离线建立基于高阶正余弦信号的高分辨力幅值细分查找表;根据增量式、绝对式光电编码器的不同功能,分别阐述了应用该幅值细分查找表实现编码器高分辨力的倍频技术;同时又指出本文细分方法应用的约束条件.最后,以直径为40mm,分辨率为2500P/R的欧姆龙E6B2-CWZ6C增量式光电编码器为实验对象,在转速范围200~3000rpm的同步电机驱动下,编码器输出波形频率范围约为8.3kHz~125kHz,在基于频率为10kHz的模拟输入信号下,采用本文细分方案设置四倍频设计实验,该系统可以快速将频率增加到原来频率的4倍;同时,基于4倍频原理设计了128倍频实验,并进行实验验证,同样得到该系统可以快速增加到输入频率的128倍.该设计方法及系统与传统细分方法相比较,具有开发周期短、集成度高、模块化、速率快等特点.     

Improved digital tachometer with reduced sensitivity to sensornonideality

A constant sample-time digital tachometer, similar to Ohmae's “M/T” method, is described. This system is capable of accurate determination of shaft velocity, based on the outputs of an incremental encoder. Previous error analyses of such devices which consider only the asynchronous nature of counter operation are shown to be specious. It is highlighted that sensor nonidealities, including variations in the transition locations from their nominal values and phasing errors between encoder channels, can produce much larger tachometer errors. An estimate is made of the actual RMS output error, based on a simple encoder model and simplified analysis. It is shown that the error can be significantly reduced by operating four sub-circuits in parallel, each dealing with either a low-to-high or high-to-low transition of a single incremental encoder signal. A field-programmable-gate-array/digital-signal processor-based practical implementation is described. Both simulation and experimental results are presented which confirm the utility of the enhanced digital tachometer     

小型光电编码器的高分辨力细分技术

为了实现在不增加体积和重量的前提下提高小型光电编码器分辨力和细分精度,对光电编码器高分辨力细分技术进行了研究。首先,分析了影响小型光电编码器分辨力及细分精度的主要因素;其次,利用ADC841单片机对A/D转换的增益误差和失调误差进行修正;最后,优化电子学细分算法,设计出小型光电编码器高分辨力的信号处理电路。实验结果表明,该设计可以实现编码器精码信号的1 024细分,细分周期误差的峰峰值由163减小到70;将外径为40 mm的小型光电编码器分辨力提高4倍至4.98,精度提高至30。设计的编码器细分方法,电路结构简单、细分数高,可应用于对体积和重量有严格要求的绝对式和增量式光电编码器中。     

绝对式光电编码器动态误差采集系统

在绝对式小型光电编码器动态特性检测中,为了对匀速变速转动下编码器的高速误差进行数据采集,提出了编码器误差数据准确采集方法,并设计了绝对式光电编码器动态误差采集系统。首先,通过对被测编码器输出角度数据所表达真实角度准确时刻的分析,提出了编码器误差数据的准确采集时刻是在编码器输出数据变化的边沿时刻。然后,通过对误差采集时采集数据量、采集速度及传输速度的分析,确定了以FPGA+USB设计制作硬件电路,实现编码器误差数据的全分辨率采集。最后,通过计算机软件实现对误差数据的计算、显示和打印。经过实验,系统可以高速、准确地采集到快速转动下编码器所有角度的误差数据,能够满足小型绝对式光电编码器动态特性检测的要求。系统具有采集数据高速、准确等优点。可以实现对90 r/min以下转速的16位编码器的数据采集。     

基于DSP的光电编码器自动检测系统

传统的光电编码器的精度检测利用平行光管和多面体,其缺点是检测时间长,需要有经验的师傅;编码器误码检测则通过旋转编码器,使二进制灯排逐次进位,同样监测效率低,且容易错判。文中设计了一套光电编码器自动检测系统,基准编码器、电机和被检编码器同轴连接,其中24位基准编码器作为精度检测基准和位置反馈元件构成闭环系统,以DSP为核心的控制器控制自动检测系统工作在两种模式下,精度检测工作在位置模式下,错码检测工作在速度模式下,可以检测精度的同时对错码进行判别。采用该系统对两台14位编码器进行检测,实验结果表明精度检测数据与采用平行光管精度检测数据一致。该系统可提高检测效率,缩短编码器设计周期,可以推广到其他型号编码器调试与检测中。     

Punctured recursive convolutional encoders and their applicationsin turbo codes

Puncturing is the predominant strategy to construct high code rate convolutional encoders, and infinite impulse response (IIR) convolutional encoders are an essential building block in turbo codes. In this paper, various properties of convolutional encoders with these characteristics are developed. In particular the closed-form representation of a punctured convolutional encoder and its generator matrix is constructed, necessary and sufficient conditions are given such that the punctured encoders retain the IIR property, and various lower bounds on distance properties, such as effective free distance, are developed. Finally, necessary and sufficient conditions are given on the inverse puncturing problem: representing a known convolutional encoder as a punctured encoder     

基于双通道旋转变压器的智能编码器设计

介绍了一种基于双通道旋转变压器的智能轴角编码器,对轴角编码器的工作原理、硬件和软件设计分别作了说明.该轴角编码器采用集成电路AD2S83作为旋转变压器-数字变换器;软件粗精组合;AD2S99作为信号源;功耗低,单电源供电;提供了CAN总线接口和增量正北脉冲输出;内建测试和软件配置功能;铝合金外壳设计.应用结果表明:该轴角编码器具有智能化、结构紧凑、可靠性高、性能价格比高的特点.