光栅角编码器误差分析及用激光陀螺标校的研究

本文介绍了光栅角编码器的测量原理,对光栅角编码器在使用过程中因安装偏心、安装倾斜、轴承晃动等因素引起的角度测量误差进行了分析,理论分析表明,微小的安装偏心便可引起较大的测角误差,因此,光栅角编码器在实际使用中需要对其进行标校。根据激光陀螺的精度和有分辨率都很高的特点,本文提出了一种用激光陀螺进行光栅角编码器误差测量和标校的新方法,并进行了实验,结果表明,标校后光栅角编码器的测量精度达到了其标称精度。     

有限角磁电编码器极值扇区间差值判断细分方法

针对单对极与多对极组合式磁钢的有限角磁电编码器,提出一种有限角磁电编码器极值扇区间差值判断细分方法。利用同轴有限角范围内的单对极磁钢及多对极磁钢进行角度信号输出,采用周期圆整补偿的方法进行整周期角度信号的补充。为保证扇区角度划分均匀性,提出区间域自动补偿划分法进行单对极扇区均匀化分割,利用极值扇区间差值判断细分方法对编码器角度值细分处理,抑制了细分后有限角磁电编码器角度值跳点的出现,有效地提高了有限角磁电编码器的分辨率。提供了一种有效的增加有限角磁电编码器分辨率和精度的方法,最终采用光电-磁电编码器对比测量装置对所设计的有限角磁电编码器进行误差测量,实验结果表明,采用所提方法的有限角磁电编码器的角度输出精度为±0.55°。     

有限角磁电编码器角度虚拟补偿细分方法研究

提出一种有限角磁电编码器,充分利用有限角狭小的工作空间,采用对称结构设计单对极磁钢与多对极磁钢的布局,对磁钢进行轴向充磁,采用贴片霍尔对单对极和多对极磁场信号进行采集。针对有限角磁电编码器角度信号不完整的特点,采用虚拟角度补偿方法将有限角磁电编码器的角度值信号补充完整。采用自适应多窗口滤波角度细分方法对磁电编码器角度值进行细分,消除了磁电编码器角度值噪声引发的区间判断错误问题,有效提高了有限角磁电编码器的分辨率。最终通过实验证明了所提出的有限角磁电编码器能够有效抑制角度值跳动,电机速度控制更加平稳,电流正弦特性更好。所提出的有限角磁电编码器的分辨率可以达到13位,精度达到±0.25°。     

采用衍射、干涉技术提高光电轴角编码器的测角精度和分辨率

光电轴角编码器广泛应用于精密角位置的测量、数控及数显系统中,是国内外研究的热点.采用衍射、干涉技术的光电轴角编码器(简称激光编码器)具有结构紧凑、小型化;分辨率和测角精度高;响应频率高等优点.通过对几种激光编码器的成功方案的深入分析,阐述了这项技术的最新进展和所面临的问题.     

XGBoost机器学习在光电编码器误差补偿中的应用

光电编码器检测系统的误差主要受基准光电编码器测角误差、数据采集误差、检测系统同轴误差影响。其中，基准光电编码器的测角误差可进行补偿。因此设计了一种基于极度梯度提升树（extreme gradient boosting,XGBoost）机器学习的算法用来补偿基准光电编码器的误差。经该算法补偿后，静态精度提高了35倍，标准差由3.62″减小至0.13″，最大误差值由5.53″降低至0.39″。与传统的误差反传（back progagation,BP）神经网络算法以及径向基函数（radial basis function,RBF）神经网络算法补偿效果相比，XGBoost的补偿效果更优。XGBoost机器学习算法有效降低了基准光电编码器的测量误差，提高了光电编码器检测系统的检测精度。     

编码器轴系晃动对测角精度影响分析

光电轴角编码器作为一种精密测角传感器,其测角精度受到多种因素的影响,其中轴系晃动是影响其精度的主要因素之一。为了研究编码器轴系晃动的规律,利用多种检测方法对轴系晃动进行检测,利用傅里叶谐波数学模型对测量结果进行分析,并结合编码器测角精度检测结果,发现测角精度与轴系晃动的低频谐波之间存在固定的函数关系,采用这种关系可以补偿编码器的测角误差。利用这种方法可以在编码器内部或在线的方式进行实时误差补偿,从而达到提高编码器测角精度的目的。这对相关仪器的测量精度的提高起到一定参考意义。     

增量式光电旋转编码器及在角减速度测量中的应用

介绍了增量式光电旋转编码器的原理、结构，根据输出信号的特征提高测量精度的四倍频处理方法，在此基础上说明了常用的基于编码器的输出信号的测速原理、方法。最后给出了基于增量式光电旋转编码器进行角减速度测量的系统构成，实际应用精度要求采用的最小二乘拟合法的处理方法。     

两步法测量编码器测角误差

由多面体和自准直仪组成的编码器角度检测系统测量编码器误差,得到的编码器误差中不但包含编码器误差,而且包含多面体检定误差.根据两步法的使用条件,将两步法应用于光电轴角编码器测角误差数据的处理,分别得到多面体检定误差和编码器测角误差,误差分离的结果与采用其他方法得到的结果相近,但用两步法计算需要的测量数据大大减少.比较结果证明,与其他测量方法相比,此方法可以提高测量效率90%以上,缩短检测时间近80%.     

微型光电编码器在电机角速率辨识中的应用

针对电机伺服控制系统利用编码器角位置信息预测角速率的需求,提出并实现了一种基于平稳卡尔曼滤波的编码器信号处理方法。首先,分析了典型电机系统的结构及测量噪声编码器的组成,在此基础上建立了电机系统和编码器的参数化数学模型,并根据电机系统和编码器模型给出了统一的参数化平稳卡尔曼滤波器设计结果。在Matlab/Simulink环境下完成了电机、编码器和卡尔曼滤波器的仿真模型,并利用不同参数对参数化平稳卡尔曼滤波器的普适性和滤波效果进行了预测。最后,搭建了实验平台,对仿真结论进行验证并对滤波性能进行了实测。仿真和实验结果表明:参数化滤波模型对典型电机系统具有普适性,自适应平稳卡尔曼滤波器可以利用编码器信号实现角速率的最优估计,误差标准差为0.021(°)/s,最大误差可以控制在0.06(°)/s之内,能够满足一般电机伺服系统对角速率精度的要求。     

光电轴角编码器的发展动态

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.由于它结构简单,分辨率高,精度高,因此已被广泛应用在精密角位置的测量、数控及数显系统中.本文主要介绍了光电轴角编码器在国内外的发展现状,并说明了其工作原理及发展历史.针对光电轴角编码器的某些关键技术,我们也对其未来的发展趋势进行了扼要阐述.     

光电轴角编码器细分信号误差及精度分析

高分辨力光电编码器通常利用码盘精码两路正交的正、余弦信号,通过细分达到高分辨力.为使细分技术更加完善,本文对细分误差进行了专题研究.分别对信号直流分量误差、幅值误差、相位误差、谐波分量误差、噪声误差和量化误差等进行了数理分析,通过对细分误差的特性分析,得出了误差规律及其计算公式,形成了比较完整的光电编码器细分误差及精度分析的数理结果.结果表明,一般情况下细分精度在1.5％左右.文章指出,利用码盘精码通过细分提高分辨力,应在码盘选择、轴系设计、信号提取、电路设计、工艺调试等各个环节充分考虑细分误差的影响.研究结果可用于在产品设计时,合理进行误差分析与分配,预估产品的精度,为减小设计误差提供参考.     

增量式光学编码器 IAS 信号误差建模及补偿

增量式光学编码器在制造与安装的过程中不可避免的会出现刻线误差和细分误差,这些误差会降低角度测量的精度并导致瞬时角速度(IAS)信号波动,研究刻线与细分误差的补偿途径有重要意义,但现有方法存在误差补偿效率低,不易现场应用等局限。针对上述问题,本文首先对增量式光学编码器的刻线误差与细分误差进行分析并建立误差模型,揭示了刻线误差、细分误差与IAS信号波动之间的联系。在此基础上提出了一种使用IAS信号对增量式光学编码器刻线与细分误差进行补偿的方法,该方法具有效率高、无需对编码器进行改装等优点。通过仿真分析对本文所建立的误差模型的正确性与误差估计方法的可行性进行了验证,并在RV传动实验台上对伺服电机末端的增量式光学编码器进行刻线与细分误差补偿,最后使用光学旋转平台对增量式光学编码器误差进行测量,通过对比分析验证了本文所提方法的有效性。     

基于Vold-Kalman滤波的光栅谐波动态抑制方法

谐波信号失真问题,是影响光栅位移传感器测量精度及分辨力的关键因素之一.针对光栅变速运动情况下的谐波动态抑制难题,探索Vold-Kalman滤波在光栅信号处理中的应用.阐述了 Vold-Kalman滤波的基本原理,建立了基于Vold-Kalman滤波的光栅谐波抑制模型,优化设计了 Vold-Kalman滤波器的权重因子,...     

八矩阵超小型绝对式光电编码器

为了实现高精度、高可靠性、绝对式光电编码器的小型化,研究了编码器的编码方式和读数头的结构。介绍了编码器码盘所采用的八象限矩阵编码(即八矩阵码)原理,对比传统四象限矩阵码,八矩阵编码的优点在于它仅需两圈就可以实现10位自然二进制编码:码盘第一圈四路信号实现格雷编码的高三位,第二圈八路信号实现格雷编码的低七位;再经格雷编码与自然二进制的译码关系,得到10位自然二进制码。运用错位移相的方法设计了狭缝的精码窗口,获得了圆光栅莫尔条纹;同时,采用单头读数,减少了发光元器件(光源)的数量。最后,介绍了信号提取方法。实验结果表明,设计的八矩阵编码器实现了超小体积为Φ25mm×16mm,重量28g,分辨率经过电子细分达到了16位,精度(1σ)优于30″。极高的可靠性可保证该编码器在极其苛刻条件下长期正常工作,适于在航空航天和军事领域应用。     

A high performance one-dimensional homodyne encoder and the proof of principle of a novel two-dimensional homodyne encoder

Displacement laser interferometers and interferometric encoders currently are the dominating solutions to the displacement measurement applications which require measurement uncertainties in the order of a few nanometers over hundreds of millimeters of measurement range. But, in comparison with interferometric encoders, to achieve nanometer order or even lower measurement uncertainties, displacement laser interferometers require much stricter environmental control if not vacuum, which will increase their Total Cost of Ownership (TCO). Therefore interferometric encoders are getting more and more preferable. Furthermore, for some applications, the measurement of the out-of-plane displacement is required as well. Therefore, in this work, a one-dimensional interferometric encoder was built and investigated, a novel two-dimensional (one is in-plane, the other one is out-of-plane) interferometric encoder was devised and its principle was proven experimentally. For the one-dimensional encoder, a periodic nonlinearity of ±50 pm with HEIDENHAIN EIB 741 and a periodic nonlinearity of less than ±10 pm with a home built phase meter and off-line Heydemann correction were identified through a comparison measurement with a differential heterodyne interferometer. In addition, this one-dimensional encoder was identified to have a better measurement stability compared to the differential heterodyne interferometer.     

一种实用机器人定位系统的研究、实现与改进

在机器人定位技术和光电编码器原理的基础上,研究并实现了仅由光电编码器组成的航位推算（Dead Reckoning,简称DR）定位系统,并通过一系列的实验对这种方案进行了验证。最后通过分析对方案进行了进一步的改进,实现了“基于数据融合技术的光电编码器和陀螺仪DR导航系统”,实测结果表明定位精度有较大改善。     

A new vacuum interferometric comparator for calibrating the fine linear encoders and scales

A new one-dimensional laser interferometric comparator has been developed for the calibration of the fine linear encoders and scales up to 1600 mm. In the comparator, the interferometer is fully arranged in vacuum and the calibration objects are mounted under atmospheric conditions. The Abbe’s principle on the alignment of workpiece with the measuring beam is satisfied in the structure of a long measuring range. A travelling slide table, on which the calibration objects are mounted, is supported on guide rails by the air bearing and is driven through a recirculating ballscrew. The exhaust of the air bearing is guided to the exterior of the booth in which the comparator is placed. The travel of the table is measured by a reference interferometer with a beam path in vacuum shielded by an evacuated metal bellow, so that the effect of refractive index is eliminated. The laser beam is led by a polarization plane maintaining glass fiber from a self-designed stabilised He–Ne laser, which is placed in an adjacency room, to the beam inlet of the main unit. The measurement system can input the interferometer signal by the encoder signal or the scale signal, and input the encoder or scale data by the interferometer signal. The system resolution is approximately 0.8 nm and maximum travelling measurement speed is 20 mm/s at continuous measurement. The uncertainly (k=2) of measurement is approximately 30 nm in linear encoders of 500 mm length and, approximately 40 nm in scales of 500 mm, although it depends on the length and the characteristics of encoders and scales. It is successful such a high accuracy that the uncertainty of measurement system is smaller than 40 nm in encoders of 1 m length.     

光电编码器在非圆齿轮滚齿加工自动对刀中的应用

对刀是非圆齿轮滚齿加工时的关键工序.传统对刀方法依靠人工利用对刀规对刀,费时费力.在分析传统人工对刀的基础上,提出了一种新的自动对刀方法.该方法在滚刀轴和工件轴上各加装一光电编码器,通过合理设置滚刀轴与工件轴的机械零位与各自轴上的光电编码器零位重合,可实现自动重复对刀,从而显著提高对刀精度和效率.     

小型编码器动态精度检测的安装误差控制

研究了小型编码器动态检测过程中由编码器与基准编码器轴系中心线不完全重合产生的偏角导入的安装误差,以便提高编码器检测装置的准确性和可靠性。分析了安装误差对被检编码器检测精度的影响,推导出了存在安装偏角时引入的安装误差公式及其控制范围公式。为了使编码器的动态检测能准确地反映编码器的实际精度,给出了最大偏角值α_(max)及高度差D_(max)的允许范围。使用现有21位检测装置对15位被检编码器进行了检测实验,分别对安装良好、小偏角和大偏角情况下的测量结果和安装误差曲线进行了比较和分析。结果表明:检测15位编码器时,将安装偏角值控制在0.36°以下可满足动态精度检测要求。本文提出的误差公式及控制方法可以运用在不同类型、不同精度的编码器检测过程中,对提高小型光电编码器动态检测的精度和可靠性很有意义。