光柵編碼器自動校準技術

劉帥

(北京慧摩森電子系統技術有限公司，北京 100083)

光柵編碼器自動校準技術

劉帥

(北京慧摩森電子系統技術有限公司，北京 100083)

介紹了光柵編碼器先進的信號處理技術-實時自動校準技術的應用。光柵編碼器的信號處理技術對編碼器的精度提升有著重要的影響。對于增量光柵編碼器的原始sin/cos信號進行實時修正處理是提升精度的一個很好的解決方案。這使得編碼器在其他方面也會有很好的表現，抗污染和穩定性能等。

光柵編碼器；實時信號處理；精度；高保真

1 光柵編碼器信號處理面臨的問題

現代運動控制應用要求高精度和穩定的速度控制，這對光柵編碼器的性能提出了更高的要求。所有高分辨率增量光學編碼器的工作原理都是基于對一個重復的衍射圖形進行計數。長行程精度描述了在整個運動范圍內所看到的總誤差，而短距離精度則描述了插值信號的誤差。這一短距離誤差由“插值誤差、周期性誤差、條紋內誤差、子分區誤差(SDE)”等名稱所引用。這些術語都表示相同的概念，即基本的模擬信號是如何被分解成較小分辨率的增量計數。

MicroE和其他編碼器公司制造的許多編碼器產品在安裝過程中需要一個校準程序，在安裝過程中使用單獨的校準工具或按鈕等方式。在插值之前，該過程計算靜態校正系數，以幫助提高原始模擬編碼器信號的保真度。這一技術的一個缺點是它會減慢并使安裝過程變得復雜；另一種是，假設小范圍在代表整個運動范圍的前提下，只對小范圍采樣引入校正系數；第三種，這些校正通常是在數字域中進行的，使得無法向用戶提供一種校正的、高保真的模擬輸出。

圖1 模擬信號

2 觀察模擬信號保真度的方法

觀察模擬sin/cos信號保真度的一種非常方便和有效的方法是李薩如圖形，李薩如圖形是兩個正弦振動沿著互相垂直方向合成的軌跡。使用李薩如圖形可以觀測兩路信號的相位差和頻率比。李薩如圖形由以下方程定義：

當a=b，n=1時，李薩如曲線是橢圓形，若φ=π/2，曲線為圓，見圖2所示。

圖2 李薩如圓

對于光柵信號的sin和cos來說，他們是幅值相同，相位相差90°的正交信號。模擬差分sin和cos在x-y圖中顯示，一個周期的sin和cos信號被顯示為一個圓形。對于大多數編碼器，這一個周期的距離是20 μm，這是由衍射光柵的柵距決定的。越接近圓的sin和cos信號是完美的數學正弦函數，更接近的顯示，將導致零SED。插補是用數學計算公式將圓劃分成等段的過程。對于200 nm分辨率，該圓將被分成100段。對于光學編碼器來說，在光學、電子和光柵圖案中都有誤差源，導致sin和cos波形變形。

3 sin/cos信號變形分析

雖然有多種方式可以扭曲李薩如圖形，最重要的誤差來源是增益不匹配、直流偏置和相位偏移。增益不匹配是因為sin和cos信號的幅值不相等，如圖3所示的例子，cos信號的幅值小于sin信號；直流偏置將導致李薩如圓偏離坐標原點，圖4所示為sin信號偏置使得李薩如圓偏離中心的例子；相位偏移即sin信號和cos信號相位偏離90°，如圖5所示這時李薩如圓就變成了橢圓形。

圖3 增益

4 實時修正技術

MicroE光柵編碼器Veratus系列編碼器采用實時修正精度，可以提供高保真的sin和cos信號，重復性和噪聲性能不需要用戶提供額外的信號處理或校正電路。事實上增加過多的信號處理只會惡化系統的性能。數字輸出信號也受益于模擬信號處理，因為它是內部A-quad-B發生器的輸入（見圖 6）。

圖4 直流偏置

圖5 相位

圖6 A-quad-B輸出

內部模擬控制回路：

·幅值控制回路:調整光源電流使原始信號范圍控制在1 V；

·sin/cos偏置調整回路:調整sin/cos偏置使信號李薩如圓更集中；

·sin/cos跟蹤回路:調整sin/cos之間獲得平衡使李薩如圓是圓的；

·輸出共模電壓回路:設置sin/cos輸出共模電壓為1.9 V。

5 實時修正技術的優勢

實時修正技術通過不同的控制回路，消除對原始信號產生影響的主要因素，從而保證編碼器信號的高精度和高可靠性，控制回路的帶寬是經過精心選擇的，不給系統增加額外的不良影響，控制回路的參數是保存在編碼器的存儲器里，上電之后可以馬上工作。經過大量的實驗表明，用戶不需要再做額外的信號處理工作即可得到可靠穩定的反饋信息。

整個電路可以全部集成在編碼器的頭部，客戶不需要調試工具等其他設備，安裝調整之后只需要通過標準的D型插頭，就可以把編碼器的信號接入到自己的系統中。在機械安裝部分，由于不需要其他的電子輔助設備，用戶只需要按照機械手冊要求安裝編碼器，當信號狀態處于健康標準時，編碼器頭部的LED指示燈就會亮起藍色燈光。此時，編碼器已可提供指定的精度指標。這就是為什么Veratus系列能夠提供可靠性、穩定和抗污染一流的光柵產品。

6 結束語

光柵編碼器的精度取決于光柵尺的物理刻線精度和信號處理電路的性能。光柵物理刻線精度的不斷提高，對編碼器的整體成本將有不小的壓力，好的信號處理電路可以很好地解決這一問題，將編碼器的性能優化到合理的程度，這對一些應用無疑是一個很好的選擇。在市場競爭如此激烈的情況下，高性價比的編碼器產品將使得一些設備有了優化系統精度的可能，給設備廠商提升產品競爭力提供支持。

[1] 邱關源，羅先覺.電路原理(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2006.34-68.

[2] 黨安明，張欽軍.傳感器與檢測技術[M].北京：高等教育出版社，2011.122-143.

[3] 胡廣書.數字信號處理導論[M].北京：清華大學出版社，2005.56-58.

Grating Encoder Automatic Calibration Technology

LIU Shuai
(Beijing smartmotion system technology Inc,Beijing，100083，China)

This paper introduces the advanced signal processing technology-real-time automatic grating encoder calibration technology.Signal processing technology of grating encoder has important influence to the precision of the encoder indexes.For incremental grating encoder original real-time correction sine/cosine signal processing is to improve the precision of a good solution.This makes the encoder will also have a very good performance in other ways,pollution resistance and stable performance,etc.

Grating encoder；The real-time signal processing；Precision；High fidelity

TN707

B

1004-4507(2017)05-0033-03

2017-08-08

劉帥（1992-），男，安徽人，學士學位，畢業于防災科技大學儀器系，現任北京慧摩森應用工程師，主要從事精密運動控制系統的應用方案設計工作。