基于高速DSP處理芯片實現(xiàn)細分誤差快速測量系統(tǒng)的設計

引 言

光電軸角編碼器，又稱光電角位置傳感器，是一種集光、機、電為一體的精密數(shù)字測角裝置，它把軸角信息轉換成數(shù)字代碼，與計算機和顯示裝置連接后可實現(xiàn)動態(tài)測量和實時控制。隨著編碼器在工業(yè)、國防、航天等部門的廣泛應用，對編碼器的技術指標提出了越來越高的要求。測角誤差是編碼器的重要技術指標， 細分誤差是測角誤差的主要分量，細分誤差的檢定要求用精密的小角度測量儀器|儀表在嚴格的實驗室條件下進行，且檢測過程復雜、時間長。為了存編碼器使用現(xiàn)場快速及時地檢測出編碼器的細分誤差，研制了一種編碼器的細分誤差快速測量系統(tǒng)，將編碼器精碼的光電信號采集到計算機，進行諧波分析，計算出編碼器的細分誤差。

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件

該系統(tǒng)的核心器件是TMS320F2812和MAX125。TMS320F2812是TI公司的一款高速DSP處理芯片。本系統(tǒng)采用1片DSP芯片控制2片A／D轉換芯片。圖1所示為DSP控制2片轉換芯片的系統(tǒng)框圖。

1.2 TMS320F2812

C281x系列DSP是TI公司最新推出的32位定點數(shù)字信號處理器，是基于TMS320C2000數(shù)字信號處理器平臺開發(fā)的，其代碼與24x／240x數(shù)字信號處理器完全兼容。

C281x處理器采用C／C++編寫軟件，其效率高，用戶不僅可以應用高級語言編寫系統(tǒng)程序，也可采用C／C++高效率的數(shù)學算法。C281x 系列數(shù)字信號處理器在完成數(shù)學算法和系統(tǒng)控制等任務時都具有較高的性能，這樣，就避免了用戶在1個系統(tǒng)中需要多只處理器的麻煩。C281x處理器內(nèi)核包含了1個32位×32位的乘法累計單元，能夠完成64位的數(shù)據(jù)處理能力。從而使該處理器能夠完成更高精度的處理任務。

1.3 MAX125

MAX125是一款帶多路采樣保持器的高速14位A／D轉換芯片。該芯片包含1只14位，轉換時間為3μs的逐次逼近式A／D轉換器，1 個+2.5 V的內(nèi)部電壓基準。每一個采樣保持器都對應2路輸入信號，一共可以接收8路信號輸入。輸入電壓為±5 V。芯片具有±17 V輸入電壓保護。

MAX125采用的是并行數(shù)據(jù)接口，和DSP的數(shù)據(jù)存取時序相同，與DSP通信時不需要等待周期，可以達到很高的通信速率。單路轉換的最高速率為250 ksps，4路最高速率為76 ksps。

1.4 軟件控制流程

要分析編碼器在工作時的細分誤差，數(shù)據(jù)采集速率要在100 ksps以上。本系統(tǒng)采用2片A／D轉換芯片，分時采集編碼器的4路信號，當讀其中一片芯片的數(shù)據(jù)時，啟動另一芯片開始轉換。采用本方法4通道的最高采樣速率可達120 ksps以上，2通道的最高采樣速率可達240 ksps以上。

采集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過傅立葉變換，計算出編碼器的細分誤差。當數(shù)據(jù)量太大時，會給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來很多麻煩;數(shù)據(jù)量太少時，又不能反映信號的真實情況。實驗證明：編碼器每個精碼周期的最佳采樣點數(shù)應在60～100點之間。在本系統(tǒng)中采樣點設定為85點，根據(jù)編碼器加速度的變化，采樣點會在附近波動。DSP在接收到采樣命令后，對編碼器信號進行采樣，首先，判斷編碼器的轉速，設定采樣頻率，保證一個周期的采樣點數(shù)在85點左右，連續(xù)采樣3個以上完整的周期，采樣完成后將數(shù)據(jù)一并傳給計算機處理。

2數(shù)據(jù)處理

編碼器輸出的是角度信息，其輸出信號是以角度為自變量的空間函數(shù)。如果數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率是固定的，并且，編碼器是勻速轉動，理論上可以得到等轉角的角度信息。在編碼器實驗或工作時，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率可以控制成固定采樣頻率，但編碼器不可能是嚴格意義上的勻速運動，可以認為是加速度很小的等加速運動，所以，采集到的精碼光電信號是非等轉角的。在編碼器工作時，采集2路相位差為π／2的正弦精碼光電信號usin和ucos，首先，計算編碼器的加速度，再利用線性插值法進行等轉角處理，得到一組新的數(shù)據(jù)u′sin和u′cos，由u′sin和u′cos組成的精碼光電信號就是一組等轉角的光電信號。

編碼器2路相位差為π／2的正弦精碼光電信號ua和ub，精碼光電信號通常含有直流電平、基波及高次諧波。高次諧波以二次和三次諧波為主要分量，故可其波形方程為

編碼器精碼光電信號具有周期函數(shù)的性質(zhì)，任何一個周期函數(shù)，都可以展開為如下的傅立葉級數(shù)

式（4）表明：一個周期函數(shù)可以由常數(shù)項a0與各次諧波之和組成。其中，An為f（x）的各次諧波的振幅;φn為相應的各次諧波的初相角。這樣，對實測數(shù)據(jù)信號進行諧波分析，可以求出a0，An和φn。

由于信號u′sin和u′cos是編碼器的等轉角信號，可以對其進行諧波分析。利用軟件VC++編寫計算程序計算出式（1）和式（2）的波形參數(shù)，即求出精碼光電信號的波形方程。編碼器光電信號的細分技術是建立在一定信號波形（通常為正弦波）的基礎上。當波形參數(shù)偏離預定參數(shù)時，就會產(chǎn)

3實驗測量

某21位增量式編碼器為8192對線／周光柵盤，經(jīng)電子學256細分后，分辨力為0.6“。利用數(shù)據(jù)采集卡將差分放大后的2路精碼光電信號與數(shù)據(jù)采集裝置的2路輸入端相連，通過人機操作界面運行數(shù)據(jù)采集程序。采集編碼器精碼光電信號放大后的電壓值，接人計算機得到動態(tài)數(shù)據(jù)，并計算動態(tài)細分誤差。利用二十一面體和自準直儀，任意選擇一個細分周期，測量靜態(tài)細分誤差，動態(tài)與靜態(tài)細分誤差曲線如圖2所示。

4結論

本文提出了一種高精度編碼器動態(tài)細分誤差的快速測量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的靜態(tài)檢測編碼器細分誤差方法相比，該方法檢測編碼器動態(tài)細分誤差的實驗過程簡便、檢測速度快。不僅可用于實驗室檢測，也可以用于編碼器工作現(xiàn)場對編碼器動態(tài)細分誤差進行*估。實驗證明：該方法是可行的。

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