雷达变速箱传动误差测量系统设计Word文档格式.docx

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输入V1

图1示意图

系统设计

根据系统分析可得知整个检测系统包括的模块主要有：

传感器模块、信号采集模块、信号处理与现实模块。

系统框图如下：

图2检测系统框图

1.传感器的选择

根据设计目标在检测精度和检测范围方面的要求，本系统采用光电编码器作为测量角速度的传感器。

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的两路脉冲信号。

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。

根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；

非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。

从接近开关、光电开关到旋转编码器

工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。

可是，随着工控的不断发展，又有了新的要求，这样，选用旋转编码器的应用优点就突出了：

信息化：

除了定位，控制室还可知道其具体位置；

柔性化：

定位可以在控制室柔性调整；

现场安装的方便和安全、长寿：

拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个μ到几十几百米的距离，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装问题，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。

由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。

多功能化：

除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。

经济化：

对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，以及更主要的安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。

如上所述优点，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。

从增量式编码器到绝对式编码器

旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。

这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。

解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。

在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。

为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。

比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。

这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。

绝对型旋转光电编码器，因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆，已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。

绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。

这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。

绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。

这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。

绝对型编码器因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和降低可靠性，因此，绝对编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出，德国生产的绝对型编码器串行输出最常用的是SSI（同步串行输出）。

从单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器

旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。

如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对式编码器。

编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。

多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。

多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中。

光学编码器功能特点:

　　●采用反射式感应技术

　　●表面贴装无引脚封装

　　●提供两通道模拟信号输出

　　●计数频率：

20KHz

　　●采单一5.0V电源运作

　　●工作温度：

-10到70℃

　　●编码分辨率：

180LPI

　　●符合RoHS环保标准要求

编码器工作原理:

绝对脉冲编码器:

APC

增量脉冲编码器:

SPC

两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件.

旋转编码器是用来测量转速的装置。

它分为单路输出和双路输出两种。

技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。

单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。

增量型编码器与绝对型编码器的区分

编码器如以信号原理来分，有增量型编码器,绝对型编码器。

增量型编码器（旋转型）

工作原理:

由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；

另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。

信号输出:

信号输出有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,集电极开路（PNP、NPN）,推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A,A-;

B,B-;

Z,Z-）,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。

信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。

如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。

A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。

A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。

A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。

对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。

对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。

综上所述的光电编码器在测量角度方面的优势，故本系统选用光电编码器作为测量角度变化的传感器，而光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种，本系统只需测量出角度的变化，对位置没有具体要求，而且由于系统要求工作范围大于360°

，需要使用多圈绝对式光电编码器，目前大多数多圈绝对式光电编码器的分辨率和精度都满足不了本系统分辨率30角秒，精度1角分的要求，而且虽然多圈绝对光电编码器测量范围可以很大，但还是有固定的范围，在达到该范围后仍需作进一步的信号分析，故本系统选用在高分辨率和大量程方面更具优越性的增量式光电编码器。

本系统采用长春华特光电技术有限公司研制的增量式编码器E2140K40-400000-C12E，型号说明如下：

该编码器工作参数如下：

最高分辨率数

400000（0.324＂）

信号输出接口

A、B、两路相位差90°

方波信号，一路零位脉冲信号Z

工作温度

-40℃～+60℃

振动

2.5g

冲击

20g

工作电源

DC5V0.3A

尺寸图如下:

2.信号采集

随着计算机技术、现代测控技术和电子仪器的发展，基于PC的积木式模块化仪器已经是各种测试仪器的发展方向。

积木式模块化仪器的特征是：

利用PC强大的开放性、兼容性功能，系统硬件由多种模块组成，每个模块实际上就是一个专用或多用途仪器板卡。

采用这种设计模式，可以大大降低仪器的开放费用，充分发挥仪器的程控性，便于用户操作。

[1]

信号采集模块采用研华公司的PCL-833三轴正交编码计数器数据采集卡实现数据测量。

这样具体的处理只需在PC机上进行编程即可。

PCL-833卡的特点：

PCL-833三轴正交编码器主要由24位可逆计数器、8259A中断控制器、地址译码器、可编程时基发生器、计数器模式控制器及采样频率可变的四阶数字滤波器构成。

PCL-833三轴正交编码器可以同时测量两个物体的转角，每路信号所使用的计数器相互独立，因此减少了仪器的测量延时，提高了测量精度。

而且具有单端共地与差动输入两种信号接入方式，增强了对测量环境的适应能力，减少信号失真，提高被测信号质量。

图一为PCL-833的构成及信号输入示意图。

测量时，用户可根据数据量、实时性要求灵活选用软件查询、中断或ＤＭＡ等测量数据传送方式。

该模块具有很强的可编程性，它的大多数初始化参数及工作参数都可由软件编程进行设置，通过修改用户界面的有关参数即可改变仪器模块的工作状态，提高了仪器在测量角度时的灵活性。

图3数据采集卡内部结构图

只有正确完成PCL-833各种状态参数、工作参数设置，才能实现角度测量。

这些参数有的必须在仪器模块运行前设置，有的既可以在运行前设置，也可实时更改。

仪器处于工作状态时，PCL-833依据程序主界面的参数设置与所接收的脉冲数量，并根据数据触发锁存方式及数据传送方式（软件触发、软件传送方式），不断把相应的计数器值存入到锁存器，而后传送到内存中去。

由于计数器值并不是真正的转动角度值，必须对计数器值进行转换后才可显示到主界面上。

角度测量的整个过程如流程图所示：

图4工作流程框图

3.信号处理

增量式编码器E2140K40-400000-C12E输出信号为A、B两路相位差90°

的方波信号，一路零位脉冲信号Z。

增量式编码器利用相位相差90°

的A,B两路脉冲信号进行判向、计数、倍频。

[2]如图所示，当A向脉冲的相位比B想脉冲的相位超前90°

时，编码器正转（顺时针方向）；

落后90°

时，则相反。

对A或B脉冲可以计数，数据起点可任意设定，可实现多圈的无限累加和测量，并且，可以根据每转一圈发出的一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位。

为了提高光电编码器的分辨率，常对其输出脉冲进行细分，细分是通过A,B脉冲上升沿河下降沿来实现。

例如：

仅用A脉冲的上升沿来计数，所得到的计数脉冲频率与光电编码器的输出频率相同；

既利用A脉冲的上升沿，又利用其下降沿，就可得到光电编码器输出脉冲的2倍频技术脉冲；

同时，利用A,B脉冲的上升沿和下降沿就可得到4倍频的计数脉冲。

图5辨向技术

由于变速箱误差数据的测量经历的环节较多，实际测量环境复杂，伴随有各种各样的不确定因素，而且，是对结果不确定的随进信号进行采集，因此，实验数据是否有效成为本实验成败的关键，可以通过以下几点确保[3]：

1）平稳性分析

数据是平稳的对其进行的参数估计才有意义，常用的平稳性检验方法有：

分段检验，逆序检验，自协方差函数检验。

2）传动比

硬件采用4倍频电路后，编码器每转可达400000线，将脉冲数据转换成对应的角度，计算实验测得的变速比，与标定的理论变速比进行比对。

实验经验发现：

电动机的启停、制动器的载荷变化以及测量软件的启动测得的变速比会偏离稳定时的数据，这些不稳定的数据需要去除。

3）自相关分析

变速比只能对传动误差实验的单个数据的有效性进行判断，而整体实验是否有效还需要对表现数据相关性的自相关函数分析，周期函数的自相关函数仍然是同频率的周期信号，非周期信号很快趋于0.因此，对于含有噪声的周期信号，其自相关函数在m=0时具有最大值，且在m较大时仍具有明显周期性；

对于纯噪声信号，其自相关函数在m=0时，也具有最大值，但在m稍大时明显衰减至0.利用自相关函数的这一性质，可判断平稳信号中是否含有周期信号。

实验测得：

传动误差时隐含周期项的平稳随机信号。

4）功率谱密度估计

自相关分析是在时域里对传动误差信号进行分析，由维纳-辛钦定理可知，对序列

求傅里叶变换得到的就是序列的功率谱密度

而实际工程中，往往并不清楚随机过程的函数形式，只能通过实验测得的随机函数的样本集合，进而对随机函数的各特征量进行估计。

经典功率谱估计只分析已有的数据点，对未来的数据认为自相关函数为0，因而相当于对随机信号在无限时间序列上加矩形窗阶段，它使主瓣加宽，分辨率降低，是有偏估计。

现代功率谱估计对未来数据按照一定准则进行外推，克服了有偏估计的特点，分辨率得以提高。

现代功率谱估计可以分为自回归（AR）、平均滑动（MA）、自回归平均滑动（ARMA）、最小方差功率谱估计等模型。

对于MA和ARMA模型功率谱估计来说，其参数的精确估计需要解一组高阶的非线性方程，而AR模型（又叫最大熵谱分析法）可以通过解一组线性方程求得，它是现代谱估计中最常用的方法，本文选用AR模型来估计变速误差的功率谱密度。

要进行AR模型的功率谱估计，主要是计算AR模型中的参数和阶次的选择，为防止求解系数矩阵引入较大误差，本系统选用Burg算法对变速误差序列的前向、后向进行约束，用最小二乘估计使其预测误差功率之和最小。

4.结果显示

本系统PC机界面采用美国Microsoft公司的VisualC++6.0作为开发平台，[4]可以利用厂家提供的DLL动态链接库所带函数编写PCL-833的驱动程序，从而对I/O基地址及有关参数进行配置，也可以通过注册表的编辑，把数据采集卡的相关参数存储在注册表中，这样在应用程序启动时，程序自行从注册表中加载硬件参数和驱动程序中相关函数的自变量值，这样既安全又方便，保证了控制系统在使用过程中的稳定性与安全性。

程序界面示意图如下：

图6程序界面示意图

参考文献

[1]贾平，刘春明等.光电编码器在齿轮传动误差中的应用[J]传感器与微系统.2009年第28卷第1期

[2]秦树人．齿轮传动系统检测与诊断技术[M]．重庆：

重庆大学出版社，1999：

12--19．

[3]郑南宁．数字信处理[M]．西安：

西安交通大学出版社1991：

207．

[4]崔焱。

基于光电编码器轴的转速测量系统设计实例[J]机械管理开发2007年10月第5期