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单圈绝对式光电轴角编码器原理的研究

陈赟  
【摘要】:光电轴角编码器又称光电角位置传感器,是一种集光、机、电为一体的数字测角装置,它是以高精度计量圆光栅为检测元件,通过光电转换将轴角信息、直线位移、速度、加速度等物理量转换为电信号,通过比较、放大、整形、校正、细分、译码等处理后和计算机相连可实现动态检测和实时控制,由于具有分辨率高、测量范围广、使用可靠、易于维护等优点而被广泛应用于雷达、光电经纬仪、航空航天、数控机床、机器人、指挥仪和高精度闭环调速系统等诸多领域。但随着科技的发展,军工、国防、自动控制等领域对微型传感器的需求越来越迫切,要求光电轴角编码器要向高精度、高分辨率、小型化和智能化发展,由于传统的以莫尔条纹为基准进行测量的绝对式光电轴角编码器的测量精度和尺寸是一对不可调和的矛盾,它无法满足其发展趋势,因此必须研制一种新型的编码器。 本文首先对目前光电轴角编码器的编码方式和编码原理特别是格雷码进行分析、研究,并根据传统的绝对式编码器获取绝对位置的原理,提出了一种新型的编码方法即在码盘上仅刻划一圈码道,通过特定算法,运用VC语言进行可视化编程,得出角度位置和编码一一对应的编码。 其次根据所得到的编码采用接触式光刻法刻制了单圈绝对式编码盘,并以其为核心设计了单圈绝对式光电轴角编码器的结构和照明系统,确定了以线阵CCDμPD3575D为接收元件的接收系统,并设计了以复杂可编程逻辑器件(CPLD)为核心,在单一电路板上提供多种驱动频率的驱动电路。仿真与实验的结果证明该驱动电路简单、驱动方式选择方便,实用性强,为信号采集做好准备。 再次设计基于PCI总线的数据采集系统,该系统以CPLD作为控制单元,通过A/D转换模块将采集后的数据存储到静态存储器SRAM AS7C256-15JC中,采样结束后,SRAM中的数据便通过PCI总线接口芯片PCI9052传输到计算机上。通过对单圈绝对式光电轴角编码器的位置定位算法进行了详细地分析,并给出了具体的流程图和实例说明,表明该种编码器的原理是可行的。通过运用VB编程,实现了对CCD信号的采集并给出了可视化界面,为进一步进行数据处理提供了可靠的依据。 最后分析影响该单圈绝对式光电轴角编码器精度的因素,并对该设计存在的缺陷提出改进的方案,为实现该种编码器的实用化提供了理论基础。


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