絕對式光柵尺振動干擾的測試

藺春波，楊 帆，吳宏圣

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引言

絕對式光柵尺是一種絕對式線位移光電編碼器，能通過串行通訊協議以數字形式向外提供位置信息。絕對式光柵尺在工業控制和測量領域受到廣泛應用。在機床加工過程中，電磁干擾，電機振動，加工振動等會在一定程度上影響絕對式光柵尺的測量精度，是輸出的位置信息與實際位置有一定偏差。為了研究自主研發的絕對式光柵尺抗干擾程度，與國外海德漢LC183 型號的絕對式光柵尺進行了比較測試，通過分析兩者在相同環境下，靜止狀態時位置的波動偏差，即可以得到自主研發的絕對式光柵尺的抗干擾能力。

1 數據采集系統

絕對式光柵尺采用固定的通訊協議以數字形式向外提供位置信息，JC09 絕對式光柵尺采用BiSS 協議[1]，LC183 絕對式光柵尺采用EnDat 協議[2]。如圖1，2 所示，分別為EnDat 協議和BiSS 協議位置信息讀取時序圖。BiSSC 協議[3，4]和EnDat 協議均采用RS-485 電平標準[5，6]，均采用兩對差分線路來完成通訊時序，BiSS-C 協議采用兩對傳輸方向單一的差分線路，EnDat 協議采用一對單向差分線路和一對傳輸方向可變的差分線路。根據兩支絕對式光柵尺采用的協議規范，兩者均在接收到后續電子設備（Master）的下降沿后，開始計算接收到下降沿時刻的位置信息，雖然通過不同的通信協議進行了數據的傳輸，但保證了每一次的通訊均是對兩支光柵尺在同一時刻點的采集。

圖1 BiSS-C 協議位置信息獲取時序Fig.1 Timing sequence of acquiring position of BiSS-C protocol

圖2 EnDat 協議位置信息獲取時序Fig.2 Timing sequence of acquiring position of EnDAT protocol

在振動平臺上，沿著與絕對式光柵尺平行和垂直兩個方向上，進行了振動試驗。振動平臺在測試過程中，采用最高3g 的加速度，最高55Hz 的振動頻率下完成對絕對式光柵尺的振動驅動。

系統采用FPGA 芯片XC6SLX16-FTG256 作為主控芯片[7，8]，MAX3485 作為差分信號驅動芯片，FT245 作為USB接口芯片。上位機通過FT245 完成于FPGA 的命令和數據通訊，FPGA 通過MAX3485 執行編碼器串行通訊協議。為了保證能夠更準確的在兩支絕對式光柵尺之間產生對比，FPGA 通過嚴格控制EnDat 協議和BiSS 協議Master 模塊的啟動脈沖，時間延遲在ns 數量級，兩支尺子的采集同步誤差為nm 數量級；LC183 獲取一次位置信息的通訊時間為800μs 左右，JC09 獲取一次位置信息的通訊時間為33μs 左右，故選擇1ms 作為采樣時間間隔。

圖3 為數據采集系統流程圖。上位機通過發送命令啟動數據采集，FPGA 利用乒乓操作把數據分別存入到RAM_A 或RAM_B 中，，每次連續讀取1000 次，采集完成后后把2000 個位置信息通過USB 接口上傳到上位機，傳輸完成后，進行下一次采集；直到FPGA 接收到上位機發送的停止指令。

圖3 數據采集系統流程圖Fig.3 Flow chart of data acquirsition system

2 實驗結果分析

整個振動實驗過程為20min，共獲取有效數據150組，每組內包含連續采樣1000 個點的LC183 和JC09 位置信息，該位置信息分別通過EnDat 協議和BiSS 協議獲取。以每1000 個連續采樣數據為研究對象，分別求取1000 個點的最大偏移量，并以最大偏移量所在時刻前后共50 個點的平均周期和平均頻率作為最大偏移點處的位置波動周期和頻率。

2.1 平行振動

在平行振動試驗中，JC09 出現了兩個偏差最值點，頻率分別在297.9Hz 和244.9Hz；LC183 出現了兩個偏差最值點，頻率分別在291.7Hz 和244.9Hz。在平行振動實驗中，兩個峰值點出現在同一個時間片段內。如圖4所示，分別為平行振動環境下JC09 與LC183 絕對式光柵尺在最大偏移點處位置波動曲線。

表1 平行振動最大偏移Tab.1Maxposition-shiftinparallelvibration

圖4 平行振動最大偏移波動曲線Fig.4 Curve of Max position-shift in parallel vibration

2.2 垂直振動

在垂直振動實驗中，JC09 出現了一個偏差最值點，頻率在145.8Hz 附近；LC183 出現了一個偏差最值點，頻率在148.9Hz；在垂直振動實驗中，兩值尺子的最大偏差的頻率相差很近，最然沒有完全重合，但最值區域基本在145～150Hz 之間。如圖5 所示，分別為垂直振動環境下JC09 與LC183 絕對式光柵尺在最大偏移點處位置波動曲線。

表2 垂直振動最大偏移Tab.2Maxposition-shiftinverticalvibration

圖5 垂直振動最大偏移波動曲線Fig.5 Curve of Max position-shift in vertical vibration

3 結論

本文通過設計基于FPGA 的數據采集系統，完成了在振動實驗平臺上，對JC09 與LC183 絕對式光柵尺的位置采集。通過比對兩支光柵尺在相同振動環境下，位置波動曲線的分析，得出JC09 與LC183 絕對式光柵尺對振動干擾的響應基本一致，位置最大波動的振幅在同一個數量等級上，鑒于LC183 絕對式光柵尺能夠很好的應用與數控機床加工環境中，JC09 在相同抗振動干擾的能力下，應該也能很好的適應數控機床加工環境，保證振動條件下的位置測量數據有效。

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