小型絕對式光電編碼器誤碼自動檢測系統

董 靜，萬秋華，于 海，盧新然

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033；2.中國科學院大學，北京100049)

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小型絕對式光電編碼器誤碼自動檢測系統

董 靜1,2，萬秋華1*，于 海1，盧新然1

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033；2.中國科學院大學，北京100049)

在批量生產光電編碼器時，對光電編碼器是否存在誤碼進行檢測是一個重要的環節。現有的檢測方法采用二進制燈排手動轉動編碼器用肉眼進行觀測，存在手動檢測慢、肉眼觀測誤差較大、檢測結果受轉動速度影響等缺點。在大批量生產的光電編碼器，采用傳統方法進行誤碼檢測費時費力。為解決編碼器生產及使用過程中對光電編碼器的自動誤差檢測，本文設計了小型光電編碼器誤碼自動檢測系統。首先，在參照大量光電編碼器生產經驗的基礎上，分析了編碼器誤碼產生的主要原因；然后，提出了基于微分算法實現對光電編碼器是否存在誤碼進行判斷的誤碼自動檢測方法；最后，以FPGA為主控芯片，設計了小型光電編碼器自動誤碼檢測系統。該系統能夠實現對光電編碼器的高速數據采集、數據處理與誤碼判斷，并將誤碼判斷結果通過LCD液晶顯示。同時，可以根據需要將數據傳輸到計算機中作進一步分析。檢測實驗表明：本文所設計的誤碼檢測系統成功實現了對15位串/并口光電編碼器在高速和低速下進行數據采集及誤碼判斷。系統可用于批量生產下光電編碼器的誤碼自動檢測，減少了人工操作，提高了自動化程度。系統具有智能便捷，移動性強，適用于實驗室及各種工作場合下的誤碼檢測等優點，檢測速度較以往檢測方法提高了3～5倍。

光電編碼器；誤碼；自動檢測；FPGA

1 引 言

高分辨力光電軸角編碼器是一種集光、機、電為一體的精密數字測角裝置[1]。它以高精度計量圓光柵為測量元件，將空間角位移轉換成二進制代碼輸出，能夠實現動態測量與數字控制。其具有精度高、測量范圍廣、抗干擾能力強等優點，在工業、科技、國防、航天等領域應用廣泛[2-3]。

隨著科學技術飛速發展，測控系統的成本和復雜性越來越高，光電編碼器的任何微小故障和錯碼，將對整個測控系統造成嚴重打擊。各研究單位對光電編碼器輸出的準確性提出更高的要求，編碼器在各種速度下的誤碼情況被生產者和用戶廣泛關注，如何快速、準確地實現光電編碼器的誤碼檢測，特別是快速、準確地完成大批量編碼器誤碼檢測，是業內人士一直研究的課題。

傳統的光電編碼器誤碼檢測方法是將光電編碼器輸出端口接LED顯示燈排，通過觀測LED點亮的次序和位置判斷光電編碼器是否出現誤碼，該方法檢測速度慢，對檢測人員熟練程度要求較高，且僅靠人眼識別容易出現誤碼遺誤。在國外，日本、美國等研究了編碼器誤碼診斷技術[4-7]，但是他們研究的誤碼檢測技術主要是基于精度檢測，不是專門針對誤碼檢測的設備，且精度檢測設備結構復雜、移動性差、僅限實驗室使用，不能實現批量檢測，不能定位誤碼位置。在國內，中科院長春光機所研究了基于編碼器數據采集的誤碼檢測技術[8-9]，北京理工大學提出了基于全面統計的誤碼檢測方法[10]，哈爾濱工業大學采用神經網絡模型分析編碼器故障類型[11]，但這些檢測方法復雜冗長、誤碼判斷實時性差，很難在嵌入式系統中實現。綜上，目前市面上光電編碼器誤碼檢測設備鮮有見到。隨著越來越多的編碼器問世和使用，一種能夠自動、快速、準確地實現批量光電編碼器誤碼判斷與定位的檢測系統十分急需。

針對于以上需求，本文開展了小型光電編碼器誤碼自動檢測系統的研究。該誤碼檢測系統基于微分控制算法，采用FPGA為主控芯片，控制直流無刷電機帶動被測編碼器按指定轉速旋轉。系統采集電路采集編碼器輸出數據，完成誤碼判斷，并將判斷結果送至液晶顯示。該系統具有自動化、便捷化、快速化、準確化、直觀化等優點，能夠實現對小型光電編碼器誤碼的自動檢測。

2 誤碼檢測方法研究

2.1 誤碼產生原因分析

編碼器產生誤碼的主要原因有外部干擾、元件老化、光柵刻劃誤差、碼盤狹縫污染、放大電路頻響偏移、校正失誤及安裝偏心等，參考實驗室日常維修記錄，編碼器誤碼原因統計圖如圖1所示。

圖1 光電編碼器誤碼原因統計圖 Fig.1 Statistical diagram of the reasons for errors of photoelectric encoder

(1)外部干擾

光電編碼器的外部干擾主要有振動沖擊等因素，很容易對光電編碼器中的光學元件與電子元件產生影響，產生誤碼，影響光電編碼器的精度。

(2)元件老化

編碼器處于長期運轉狀態，各元件會發生損耗，元件各參數、性能將發生畸變。常見的元件老化故障有發光和接收二極管老化等，使得光源發出強度變化、照明光束不平行，光電接收元件性能(靈敏度和暗電流)不一致，導致所采集的光電莫爾條紋信號幅度、相位以及波形產生偏差，編碼器發生誤碼。

(3)光柵刻劃誤差

光柵在加工過程中，由于生產工藝的缺陷，透光部分的刻劃會出現偏差。圓光柵誤差包括最大直徑間隔誤差、封閉誤差、碼盤圈間位置誤差、均勻性誤差等[12]。其中前四項誤差直接影響光電信號相位，均勻性誤差影響信號的幅度、相位和波形形狀，這些都將導致錯碼的產生[13]。

(4)碼盤狹縫污染

編碼器安裝的失誤和惡劣的工作環境有可能導致碼盤和狹縫出現污染，該污染將遮擋光路，使莫爾條紋信號產生錯誤，譯碼后導致誤碼。

(5)放大電路頻響偏移

放大器中電抗元件(電感和電容等)發生畸變，使得正弦波信號中頻率成分間的相位關系發生變化，使得電路輸出頻率響應發生偏移，即幅度、相位都產生偏差，發生錯碼。

(6)校正失誤

編碼器碼道信息中，一般認為粗碼精度低于精碼精度，因此用精碼來校正粗碼，以獲得準確的角度信息。當精粗碼道之間的對應關系與理論設計的對應關系存在較大偏差時，且偏差大于可校正范圍時，編碼器就會產生誤碼。

(7)安裝偏心

碼盤和狹縫盤的安裝偏心影響光電信號的相位和幅度，也易造成碼盤碼道的圈間位置誤差，產生較大錯碼。

經分析可以發現：碼盤狹縫刻劃誤差、安裝偏心等原因產生較大偏差時，將造成編碼器粗精碼失于校正；碼盤狹縫污染、放大電路頻響偏移、外部干擾及元件老化等原因會對輸出的光電信號產生偏離。所以，雖然誤碼原因繁多，但其最主要原因是光電信號偏離和粗精碼道失于校正。

2.2 誤碼檢測算法研究

光電編碼器的輸出是一個n位的二進制碼，當編碼器轉動時，編碼器在單位時間內的輸出角度增量值如式(1)所示。

式中，y(t)是當前時刻編碼器輸出角度值，y(t-1)是前一時刻編碼器輸出角度值，g(t)是t時刻光電編碼器相對于前一時刻輸出角度增量值。同時，g(t)表示對角度值的一次微分，表示編碼器轉速。當編碼器勻速轉動時，工作正常的編碼器輸出的角度數據會連續遞增(或遞減)；如果編碼器出現誤碼時，則編碼器輸出的角度會出現不連續的現象。容易得到，當編碼器輸出數據正確的情況下，如果編碼器勻速轉動，計算得到的編碼器轉速應該為一固定值；當編碼器輸出有誤碼情況下，編碼器的轉速不是一個固定值。

對g(t)進一步做微分，得g(t)的變化率如式(2)所示:

3 系統設計

本誤碼檢測系統，旨在實現檢測過程自動、快速、便捷。為實現該目標，整體系統應滿足以下3點要求：系統尺寸盡量小巧，便于移動，適合各種場合下的誤碼檢測；檢測過程需簡單、自動、快速，滿足大批量編碼器的檢測；檢測結果直觀準確，適合非專業人士使用。基于以上因素考慮，設計了以下誤碼檢測系統。

3.1 總體設計

小型絕對式光電編碼器誤碼檢測系統由被檢編碼器、支架、電機驅動系統、系統處理與顯示電路和計算機等組成，如圖2所示。

圖2 誤碼檢測系統結構框圖 Fig.2 Structure diagram of fault code detection system

在數據采集處理電路的控制下，驅動電機帶動被測編碼器勻速旋轉。處理電路采集被測編碼器輸出數據，并且對數據進行計算，判斷是否出現誤碼，判斷結果送至系統處理電路顯示，還可以根據需要將數據送至計算機中作進一步分析、處理并顯示。

系統采用直流無刷電機帶動被測編碼器轉動，直流無刷電機具有外形小巧、安裝便捷、響應快、調速范圍寬、低速力矩大、波動小、運行平穩、低噪音等優點，能帶動被測編碼器快速、平穩、可靠地轉動，符合設計需要。

實驗轉臺采用立柱式開放結構，其中基座呈圓桶型，基座內部空間固定直流無刷電機，電機軸向上。基座上方疊放支架，基座和支架用螺栓連接，支架上由定位環承載和固定光電編碼器，編碼器軸向下，與電機軸同軸相對。基座與支架由螺栓剛性連接，定位環與支架通過沉頭螺栓連接，簡潔美觀。初次組裝時，需固定好直流無刷電機、支架和定位環。電機軸和編碼器軸由彈性聯軸器相連，通過柔性聯軸器的連接方式可以補償編碼器旋轉中心與電機旋轉中心的相對位移，而且具有顯著的減震效果。如圖3所示是實驗臺裝配圖。

圖3 實驗轉臺裝配圖 Fig.3 Assembly diagram of experiment turntable system

3.2 硬件電路設計

系統采用Xilinx公司的Spartan-III系列XC3S400 PQ208型FPGA芯片作為核心處理芯片。Spartan-III系列XC3S400型FPGA芯片采用90 nm工藝，工作速度可達到300 MHz，每個I/O數據傳輸率超過622 Mb/s。該芯片針對高密度集成而優化，適合高度集成的數據處理應用。16 mm×16 mm的小尺寸使其適用于小型化電路設計，具有設計修改靈活，I/O資源豐富，數據處理速度快，易于實現快速并行輸出等特點[14-15]。

光電軸角編碼器誤碼檢測系統的處理電路如圖4所示，由FPGA處理芯片、接口轉換電路、電機驅動系統、液晶顯示電路、USB接口電路、按鍵接口及FLASH和E2PROM存儲器等組成。

圖4 系統處理電路框圖 Fig.4 Block diagram of processing circuit

系統以FPGA為主控芯片，FPGA控制電機驅動電路，由電機帶動被測編碼器轉動。FPGA通過串口或并口采集編碼器數據，并對數據進行計算處理，判斷是否出現誤碼。本誤碼檢測系統本身可以獨立工作，通過液晶顯示屏可以實時地顯示編碼器當前的速度曲線及誤碼情況；通過鍵盤輸入接口可以進行編碼器的型號以及參數的設置。FLASH存儲邏輯配置信息，用于進行上電配置；E2PROM存儲按鍵信息。該檢測系統設計有232串行接口，根據需要可以將編碼器數據傳送到計算機中進行誤碼原因分析。

3.3 軟件設計

系統主程序的主要功能就是控制電機轉速及采集編碼器的角度數據，對編碼器的角度數據進行采集、計算、顯示及與計算機通信。

圖5 系統程序流程圖 Fig.5 Block diagram of system software

系統上電初始化完畢之后，等待檢測開始命令。開始檢測時，首先FPGA控制電機以指定速度帶動編碼器轉動，采集被檢編碼器角速度曲線，通過二進制燈排顯示角度信息，通過計算判斷是否出現誤碼，并在液晶顯示屏上顯示出誤碼信息。此外，可以選擇將采集的數據通過串口通信傳輸到上位機進行進一步分析，檢測完畢后等待下一次轉換命令。FPGA軟件設計流程如圖5所示。

數據采集軟件模塊工作時，FPGA芯片根據光電編碼器數據發送協議讀入編碼器輸出的數據，并存儲為y(t-1)；然后FPGA內部產生延遲計數，本設計中延遲時間為t=5 ms；延遲結束后，再一次讀入光電編碼器數據并存儲為y(t)；最后，將兩次數據做差，系統對編碼器數據的微分值做濾波處理、過零點消除等操作后傳輸到液晶屏上顯示。

4 實驗驗證

為了驗證本文研究的光電編碼器誤碼檢測系統的準確性，使用所設計的檢測系統對某15位小型光電編碼器進行檢測。該絕對式光電編碼器外形尺寸為Φ40 mm×60 mm×Φ6 mm，分辨力約為40″，靜態精度≤60″，工作溫度為-40～+55 ℃，并口輸出，數據間隔為0.125 ms。

根據設計要求搭建出誤碼檢測實驗系統，主要有實驗轉臺、被檢編碼器、處理與顯示電路、FPGA仿真器、電機驅動器、電源、計算機等組成，如圖6所示。

圖6 編碼器誤碼檢測實驗系統 Fig.6 Detection system of fault code for photoelectric encoder

4.1 實驗結果

4.1.1 對工作正常編碼器進行驗證

工作正常的編碼器，其接口輸出正確的二進制角度值(均勻遞增或遞減的角度值)，將采集到的二進制數值在FPGA中進行微分運算，得到平穩的角速度值。LED液晶上顯示的柱狀圖高度即為角速度值的大小，柱狀圖的正負表明編碼器處于正轉或反轉狀態。圖7為編碼器正轉無誤碼情況下的速度曲線圖。

圖7 工作正常編碼器無誤碼下的速度曲線圖 Fig.7 Diagram of velocity curve for good-working photoelectric encoder

4.1.2 對故障的編碼器進行驗證

對于有故障的編碼器，其輸出的角度值會出現不連續、有脈沖跳變的狀況。

當電機帶動有故障的編碼器旋轉時，液晶屏上顯示的誤碼檢測微分曲線會出現突變，曲線出現一處尖銳的正負凸起，如圖8所示。通過觀測誤碼曲線可以輕易地判斷出光電編碼器在該轉速下出現誤碼。

圖8 對故障編碼器進行的誤碼檢測 Fig.8 Diagram of velocity curve for faulty photoelectric encoder

4.1.3 不同故障類型的誤碼檢測

(1)碼盤污染下的誤碼檢測

碼盤污染是常見的編碼器故障類型。實驗對被檢編碼器的碼盤設置部分碼道遮擋，采用所設計的誤碼檢測系統對其進行檢測，得到速度曲線如圖9所示。圖9中，速度曲線在特定位置出現大的跳變，并且隨著采樣的繼續，該跳變周期性出現。

圖9 碼盤污染時的誤碼檢測結果 Fig.9 Diagram of fault code detection for faulty photoelectric encoder with polluted code disc

(2)安裝偏心下的誤碼檢測

安裝偏心是指在安裝時編碼器的碼盤與主軸不同心。在勻速旋轉下，安裝偏心造成輸出角度值之差呈現出近似正弦的周期變化。對安裝偏心的編碼器進行誤碼檢測，其速度曲線圖如圖10所示。

圖10 安裝偏心下的誤碼檢測結果 Fig.10 Diagram of fault code detection for faulty photoelectric encoder with code disc eccentricity

(3)角度代碼不同位發生故障的誤碼檢測

圖11 第10位發生誤碼的速度曲線 Fig.11 Diagram of velocity curve for faulty photoelectric encoder with malfunction of the 10th bit

被檢編碼器的15位角度代碼中，不同位發生誤碼，其速度曲線特征都不盡相同。實驗采集了當不同位發生誤碼時的速度曲線，圖11和圖12是設置第10位發生誤碼和第5位發生誤碼時，檢測得到的誤碼速度曲線。觀察圖11和圖12可得，第10位發生誤碼時，液晶顯示上的速度曲線圖跳變密集而快速；第5位發生誤碼時，液晶屏上的速度曲線跳變減小很多。由此可以得出，速度曲線跳變程度隨編碼器誤碼發生的位數序號降低而降低。

圖12 第5位發生誤碼的速度曲線 Fig.12 Diagram of velocity curve for faulty photoelectric encoder with malfunction of the 5th bit

4.2 誤碼位置判斷及分析

被檢編碼器的位數為15位，其編碼信息是由8位粗碼、7位精碼組成，當液晶屏上編碼器轉速曲線的誤碼變化在精碼的分辨率個數27=128以內時，則能夠判斷誤碼位置在精碼處；當液晶上編碼器轉速曲線的誤碼變化在精碼的分辨率個數128以上時，能夠判斷誤碼位置在粗碼處。

圖13為編碼器發生誤碼的速度曲線圖。圖13(a)中，液晶屏上顯示編碼器角速度柱狀圖主體高為8個單位，液晶的比例尺系數為4，則可以得出編碼器以角速度為32個角度值旋轉。圖中液晶屏右側產生一個高度為-25的負跳變，液晶的比例尺系數為4，即產生一個大小為-100的角速度值。可以得出，在編碼器誤碼處，編碼器速度變化值為132，大于精碼分辨率個數，則可以判斷，誤碼位置發生在粗碼位置。圖13(b)中，液晶屏上顯示編碼器角速度柱狀圖主體高為7個單位，則編碼器以角速度為28個角度值旋轉。圖中液晶屏右側產生一個高度為-3的負跳變，即產生一個大小為-12的角速度值。可以得出，在編碼器誤碼處，編碼器速度變化值為40，小于精碼分辨率個數，則可以判斷，誤碼位置發生在精碼位置。

圖13 編碼器發生誤碼速度曲線圖 Fig.13 Diagram of velocity curve of faulty photoelectric encoder

4.3 系統可靠性驗證及分析

為了驗證本誤碼檢測系統的可靠性和檢測結果的可信度，進行了以下實驗：分別對15臺故障

表1 3種轉速下15臺故障編碼器的誤檢率

編碼器和15臺工作正常的編碼器，在電機轉速為80°/s、8 t/s和10 r/s下各做3組誤碼檢測實驗，記錄各編碼器的誤碼情況，并計算誤檢率，檢測結果如表1和表2所示。

表2 3種轉速下15臺工作正常編碼器的誤檢率

由表1和表2可以得到：15臺故障編碼器在有效轉速范圍(電機轉速為v=8°/s、v=8 r/s和v=10 r/s)內的6組誤碼檢測實驗的誤檢率均為0%；15臺工作正常編碼器在有效轉速范圍(電機轉速為v=8°/s、v=8 r/s和v=10 r/s)內的6組誤碼檢測實驗的誤檢率均為0%。

分析以上實驗數據可以得出：在規定的有效檢測轉速范圍(80°/s,10 r/s)內，本誤碼檢測系統的誤檢率為0%，由于編碼器工作最高轉速為8 r/s，因此本系統在0～8 r/s的工作轉速下誤檢率為0%，誤碼檢測系統檢測結果有效可靠。

5 結 論

本文研究并設計了一套小型光電編碼器誤碼自動檢測系統，其以Spartan-III系列XC3S400型FPGA作為核心處理芯片，完成編碼器數據高速采集、誤碼快速判斷與結果直觀顯示。該系統基于微分控制算法，以直流無刷電機驅動被檢編碼器轉動，實現編碼器誤碼自動檢測；檢測人員由原來的2到3人減少到1人，檢測時間也由原來的3到5 min減小到1 min，檢測速度提高3到5倍，有效提高了檢測效率，滿足批量生產的檢測要求；系統能夠完成(80°/s,8 r/s)速度內的誤碼檢測，實現動態誤碼檢測，并在(80°/s,8 r/s)轉速范圍內誤檢率為0%，檢測結果可信有效；系統智能便捷，自動化程度高，適合非專業人士進行編碼器誤碼判斷；系統可移動性強，適用于實驗室及各種工作場合下的誤碼檢測。

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Automatic detection system of fault code for small size absolute photoelectric encoder

DONG Jing1, 2, WAN Qiu-hua1*, YU Hai1，LU Xin-ran1

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Error detection is an important procedure during large quantity production of photoelectric encoder. At present, such error is mostly detected manually by judging sequences from binary LED arrays. This method is of low efficiency and extra error due to manual work, especially when large quantity is concerned. Given the defects of current methods, an auto-detection system for photoelectric encoder is designed in this paper. Firstly, the main reasons for the error are analyzed, and then an auto-detection method is proposed by adopting differential after referring to present works method. Lastly, an auto-detection system is established, utilizing a FPGA control chip. The system is capable of swift data acquisition and procession and its outcomes can be transported to a computer or displayed on a LCD. Experimental results show that the system is suitable for 15 bit series or parallel interface in different speeds. The system is intelligent, swift, portable and suitable for laboratory and other work situations, and the detection efficiency has been improved by 3-5 times.

photoelectric encoder;fault code;automatic detection;FPGA

2016-06-15；

2016-07-28

國家自然科學基金資助項目(N0.51605465) Supported by National Natural Science Foundation of China(No.51605465)

2095-1531(2016)06-0695-09

TP212

A

10.3788/CO.20160906.0695

董 靜(1990—)，女，安徽合肥人，碩士研究生，2013年于哈爾濱工業大學獲得學士學位，主要從事光電位移精密測量及光電編碼器的檢測等方面的研究。E-mail:djwuyou@163.com

萬秋華(1962—)，女，吉林長春人，博士，研究員，博士生導師，主要從事光電位移精密測量技術及高精度光電軸角編碼器等方面的研究。E-mail:wanqh@ciomp.ac.cn

*Correspondingauthor,E-mail:wanqh@ciomp.ac.cn