小型光电编码器细分误差校正方法

为提高小型光电编码器精度,设计了精码莫尔条纹信号细分误差校正方法.首先建立存在直流分量、幅值误差、波形畸变的精码光电信号的波形方程,然后利用牛顿迭代法将两路精码细分信号校正至标准的正弦和余弦信号,最后建立两路信号间的正交性误差模型,通过最小二乘法求解出正交性误差校正参数.运用本文的细分误差校正法对某16位小型绝对式光电编码器进行误差校正处理,经测试,细分误差峰峰值由校正前的160″减小到校正后的48″.实验结果表明:研究的误差校正方法可以有效地减小细分误差、提高编码器精度,对于研制小型化、高精度光电编码器具有重要意义.     

莫尔条纹光电信号正交性偏差的实时补偿

为了提高光电轴角编码器的精度,提出了一种实时补偿莫尔条纹光电信号正交性偏差的方法。利用希尔伯特变换原理,构造了同频光电信号正交性偏差的动态测量算法。根据莫尔条纹光电信号的数学模型,揭示了由正交性偏差引起的细分误差的空间分布特征并建立角度补偿模型。鉴于编码器的实际工作特点,采用同步处理方式,在补偿光电信号的同时动态更新了角度代码补偿查找表;通过细分查找表的切换,实现信号正交性偏差的实时补偿。采用该方法对存在约18°正交性偏差的23位光电编码器进行了补偿处理,结果显示:补偿后的编码器的细分误差峰值由4.79"降低到1.26"。该方法可实际应用于编码器系统,能够提高编码器的细分精度、环境适应性和可靠性。     

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.     

精密衍射光栅信号的椭圆拟合与细分校正算法

讨论了对相位差为非严格 90°的衍射光栅干涉条纹两路正弦信号的椭圆拟合算法的实现 ;提出了基于光栅正弦信号实际相位差进行残余相移识别的软件细分校正方法 ;分析了常规软件细分处理方法的缺陷并对常规细分处理方法所引起的测量误差进行了仿真。测量系统稳定下的噪声测量实验证明了本文提出的细分校正方法在提高光栅测量精度方面的有效性     

高正交关系的莫尔条纹信号

莫尔条纹的电子学细分需要有一对光电正交的莫尔条纹信号。本文叙述了在圆光栅系统中产生裂相误差的四种原因和消除它们的办法。最后,在一台圆分度检验仪上已经得出了优于0.5°裂相误差的结果。     

应用跟踪误差等效模型对跟踪性能评价

针对目前光电经纬仪跟踪性能室内检测方法的缺陷,提出了一种评价光电经纬仪跟踪性能的新方法。该方法通过建立光电经纬仪跟踪误差等效模型,将等效正弦信号输入等效模型中,对模型输出进行数据处理来获得光电经纬仪跟踪性能评价结果。介绍了建立等效模型的原理和等效模型阶次、系数辨识以及根据光电经纬仪检测指标来进行等效正弦信号设计的方法。为得到精确的模型参数,要求输入信号能够对光电经纬仪动态性能持续激励,为此提出了动态靶标连续调频目标模型。通过仿真和实验对该方法进行了验证,得到的跟踪误差等效模型估计误差均值2.5872e-006°≈0°,最大值1.8″,标准差1.1″。结果表明建立的等效模型能够满足跟踪性能评价要求,实现了对光电经纬仪跟踪性能的合理、准确评价。     

光通信粗瞄系统莫尔条纹信号正弦性补偿方法

为了保证光通信终端的精确对准,抑制编码器莫尔条纹正弦性偏差引入的细分误差,设计了基于经验模态分解(empir-ical mode decomposition,EMD)的正弦性修正方法。首先,介绍了卫星光通信终端跟瞄系统的组成与工作原理。接着,分析了莫尔条纹正弦偏差给系统带来的细分误差并给出满足工程需求的正弦性阈值。然后,在阐述EMD分解原理的基础上,给出了基于EMD的正弦性修正方法,该方法利用编码器自身粗码信息计算转速,从而确定精码莫尔条纹信号的基波频率值,并采用EMD分解在原始信号中提取与该值相匹配的基波分量。最后,对该方法进行了原理和转速自适应性仿真,并应用到去掉光学滤波镜片后的粗瞄回路编码器中。仿真及实验结果表明:在光通信终端的各工作转速下,修正后的莫尔条纹正弦性均小于0.85%,满足细分要求;修正后的精码译码结果精确,编码器测角精度维持在1″以内,满足终端对准精度的要求。     

非均匀采样莫尔条纹信号的分析与处理

为了动态、实时地测量光电编码器在变速转动情况下的细分误差,提出了一种莫尔条纹信号的非均匀采样分析与处理方法。利用傅里叶级数原理构造了实际情况下的莫尔条纹信号方程,根据编码器在不同转速下的实时采样,揭示了莫尔条纹信号的非均匀采样特征。鉴于信号采样的非均匀性,采用曲线拟合的最小二乘法重构莫尔条纹信号,利用离散傅里叶变换算法分析重构信号并求出波形参数。通过信号参数与细分误差的关系式,测量了编码器动态细分误差。采用该方法对21位绝对式光电编码器莫尔条纹信号进行了分析和处理,两次测试得到其动态细分极值误差为+3.21″、-4.69″和+3.45″、-4.81″。实验结果表明,该方法可以有效地分析和处理编码器在非匀速转动下产生的变频莫尔条纹信号,精确地测量编码器的动态细分误差,为工作现场编码器误差的实时检测与修正奠定了基础。     

莫尔信号正弦性误差补偿中的波形建模方法研究

针对光栅莫尔信号正弦性误差补偿过程中波形方程建立准确性影响误差补偿效果的问题,提出了一种根据实际细分倍数要求进行波形建模的方法。在基于粒子群算法(PSO)的光栅莫尔信号正弦性误差补偿原理的基础上,说明信号波形方程建立的重要性;针对波形方程建立时谐波选取问题,量化直流漂移及各次谐波含量带来的角度误差情况,为波形方程建立提供参考;利用仿真实验验证了模型建立的有效性,并在FPGA平台上实现PSO算法对信号波形参数的求解,对比波形方程在不同维数的情况下对资源占用的影响;最终搭建光栅系统平台对本文所提方法有效性进行验证,结果表明该补偿方法能够有效减小信号中的正弦性误差成分,细分误差由0.74″降低到0.30″。     

利用动态靶标谐波特性评价光电经纬仪的跟踪性能

提出了一种利用动态靶标实现光电经纬仪跟踪性能等效正弦评价的新方法。分析了动态靶标目标及相应跟踪误差的幅度谱和功率谱特性,提出将动态靶标看作由有限项基频谐波和整数倍基频高次谐波的加权和组成的谐波源。根据被检光电经纬仪跟踪性能设计等效正弦信号,利用动态靶标产生与等效正弦信号同频率的谐波信号完成光电经纬仪跟踪误差系统在该频率下幅频特性函数值的测试。等效正弦的幅值和测得的幅频特性值乘积即为跟踪等效正弦信号的跟踪误差最大值,从而实现了跟踪性能评价。利用该方法测得方位方向的最大跟踪误差为0.65′,远小于4′的指标要求,而利用动态靶标直接检测的值为4.7′。实验表明该方法准确、可行,同时避免了直接利用动态靶标检测时可能使跟踪伺服系统出现过度校正的问题。     

汽车主减速器总成传动误差测量系统研究与实现

根据汽车主减速器总成传动链的特点,介绍一种用于主减速器装配生产中的传动误差在线精密测量方法及其硬件实现.该方法通过高精度旋转编码器获取主动锥齿轮及左右半轴的角位移信号,利用CPLD对3路信号同步进行测量;采用插值方法,对离散测量数据构造插值函数逼近实际角位移函数;最后根据主减速器的传动关系,对3路角位移函数进行运算,从而实现主减速器总成瞬时传动误差的精密测量,为控制产品质量提供可靠保障.     

非接触电感式角位移传感器的设计与校准

本文设计了一种非接触电感式角位移传感器,该传感器由定子和转子组成,其中转子由扇形铜箔获得,定子包含一组激励线圈,一组接收线圈以及后续处理电路。当给激励线圈通入交变电流时,相邻两个接收线圈产生的感应电动势大小相等,方向相反,此时感应电压为0,当转子在接收线圈上方转动时,转子中产生的涡流会导致相邻两个接收线圈感应电压产生不同的变化,经过理论与仿真分析,验证了随着转子的转动,接收线圈中感应电压的幅值呈现正余弦变化。本文编写算法对正余弦信号进行识别与校准,以定位精度为0.000 3°的高精度时栅转台为基准对样机进行测试,结果表明校准完成后,在0°～360°范围内该传感器误差为0.1°,满足实际生产需求,验证了该方案的可行性。     

A new tracking technique for mechanical angle measurement

Resolvers and other types of sine/cosine encoders are used for measurement of mechanical angles. These devices produce quadrature signals in the form of sine and cosine of the unknown angle, and require converters to extract the angle from their signals. This paper describes a new converter based on an angle-tracking technique that employs synchronized reference and oscillatory signals. The tracking is based on quadrature PLL without using VCO, DAC, counter and look-up tables (LUT). The proposed method makes use of reference oscillatory signals to estimate the sine/cosine of the mechanical angle. The present method is simpler than the available techniques, and may be implemented easily using digital or basic analogue electronic circuitry. Beside its simplicity of implementation and its fast tracking capability, the proposed controller exhibits a good linearity and, when used with resolvers, offers the advantage of robustness to amplitude fluctuation of the transducer excitation signal. The proposed technique results were compared to a high resolution pulse encoder. This paper describes the proposed method, its simulation and experimental results.     

航天级光电编码器的信号处理系统设计

为了实现航天级光电编码器的小型化,减小航天设备的体积、重量并满足其冷备份要求,设计了具有双读数系统的航天级光电编码器信号处理系统。首先,介绍了双读数系统航天级光电编码器的精码和粗码信号处理方法以及信号处理系统的小型化和可靠性设计;然后,从光电编码器误差产生的原因及空间分布特征出发,对双读数系统航天级光电编码器进行了精度分析;最后,采用比较法,以23位高精度光电编码器作为角度基准,对该光电编码器进行了精度检测。实验结果表明:应用该信号处理系统的双读数系统光电编码器的分辨力为20″,精度σ≤30″。该系统已在工程项目中得到应用,实践表明系统的设计满足航天设备的技术要求。     

应用跟踪误差等效模型评价光电经纬仪跟踪性能

针对目前光电经纬仪跟踪性能室内检测方法的缺陷,提出了评价光电经纬仪跟踪性能的新方法。基于系统辨识理论建立了光电经纬仪跟踪误差等效模型,将等效正弦信号输入等效模型,通过对模型输出进行数据处理来评价光电经纬仪的跟踪性能。介绍了建立等效模型的原理和等效模型阶次,给出了根据光电经纬仪检测指标进行等效正弦信号设计的方法。为得到精确的模型参数,采用动态靶标目标角频率连续调制模式实现了对光电经纬仪动态性能的持续激励。仿真和实验结果显示,得到的跟踪误差等效模型估计误差均值为(2.5872×10-6)°≈0°,最大值为1.8″,标准差为1.1″,表明建立的等效模型能够满足跟踪性能评价要求,实现了对光电经纬仪跟踪性能的合理、准确评价。     

Subsample interpolation bias error in time of flight estimation by direct correlation in digital domain

This work presents an investigation of the bias error introduced in time of flight estimation realized by subsample interpolation in digital domain. The time of flight estimation is accomplished based on the evaluation of the peak position of the cross correlation function. In order to cope with the discrete nature of the cross-correlation function, subsample estimation exploits three time domain interpolation techniques: parabolic, cosine, Gaussian and frequency domain interpolation using phase angle. An empirical equation relating the maximum value of the bias error to sampling frequency and signal parameters (center frequency and envelope bandwidth) has been derived. It is found that the maximum value of the bias error is in inverse cubic relation to sampling frequency and in quadratic relation envelope bandwidth for cosine interpolation. The maximum value of the bias error is in inverse cubic relation to sampling frequency and in quadratic relation to center frequency and envelope bandwidth for parabolic interpolation. The coefficients related to the approximation technique are given. Results can be applied for bias errors estimation or correction when fast subsample interpolation is used and application of phase domain interpolation is unacceptable due to processing speed limitations. The equations for minimum required sampling frequency are derived by balancing the interpolation error against Cramer–Rao lower bound.     

光栅信号软件细分技术及其误差分析

对光栅头输出的两路信号sinΦ和cosΦ进行A/D转换后,通过其转换结果的极性及比较两者绝对值的大小实现莫尔条纹八细分。通过两者比值形成的正切或余切值计算细分数,从而实现再细分。并对该技术引入的误差和光栅信号的辨向进行了研究。     

一种地面连续运行参考站实时质量控制算法

提出了一种适用于地面连续运行参考站(CORS)的实时数据质量控制算法,该算法充分利用地面连续运行参考站GPS卫星精密单点定位得到的载波相位观测量的验后相位残差时间序列,对监测站的多路径误差进行建模。通过设置一定高度角和水平角大小的格网,计算落入相应格网的载波相位观测量验后残差的均值与标准差,将所得均值与标准差作为地面连续运行参考站的载波相位观测量在该方向的多路径误差,并给出了其具体计算步骤。通过10个IGS监测站的实测数据仿真计算表明,该算法能够显著修正载波相位观测量中的多路径误差,当格网设为0.5°×0.5°时,经过多路径误差改正后的相位观测量残差的精度提高了大约30%。最后采用抗差估计,利用载波相位观测量验后残差格网的均值与标准差,对实时精密单点定位(PPP)的载波相位观测量进行质量控制。实测数据表明,在监测站数据存在粗差时,能够显著提高实时PPP的精度,大约提高39.7%。