双位置反馈系统精度分析

Analysis on the Accuracy of Dual Position Feedback System

曹艳波　孙　宁　张春林　唐　杰

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春　130033)

双位置反馈系统精度分析

Analysis on the Accuracy of Dual Position Feedback System

曹艳波孙宁张春林唐杰

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033)

摘要：为提高精密仪器位移运动的位置精度，需对反馈控制系统进行设计选型。传统反馈元件旋转式电位器以其高可靠性被广泛应用于位置反馈系统中，但是精度有限；直线光栅尺具有精度高和安装简易的特点，但是成本太高。通过对比测试旋转式电位器和研究兼具电位器与光栅尺的双反馈系统，测量出各自的精度等级，从而为合理选择反馈系统提供依据。对比结果为精密仪器的位置反馈系统的设计提供试验参考。

关键词：位置反馈系统精密仪器旋转电位器光栅尺精度分析

Abstract：For improving the position accuracy of displacement motion in precise instruments, it is necessary to select appropriate feedback control system. The traditional feedback elements, the rotary potentiometers have been widely used in the position feedback system because of their high reliability, but the accuracy of which are limited; while the linear grating features high accuracy and easy to mount, but the cost is too high. Through inter-comparing some kinds of the rotary potentiometers and researching the dual feedback system composing both potentiometer and linear grating, respective accuracy class is measured, thus the basis for reasonably selecting feedback system is provided. The result of inter-comparison provides test reference for designing position feedback system of precise instruments.

Keywords：Position feedback systemPrecise instrumentRotary potentiometerLinear gratingAccuracy analysis

0引言

光电测控系统等精密仪器设备为了满足位置精度要求，运动部件需要设计反馈系统来形成闭环控制，以达到误差控制的目的[1-4]。目前使用比较成熟的反馈元件品种多样，如成本比较低的旋转式电位器、光电传感器和线性光栅尺等。

电位器一般采用角度反馈方式，具有低成本、高可靠性等特点，广泛应用在位置反馈系统中，但是由于其精度有限且精度传递环节复杂，往往达不到高精度的控制要求。光电传感器有着较高的精度，结构匹配性好，但是其可靠性相对较差且成本高。因此，在选择反馈元件时，需要从多方面考虑。

本文主要针对光学变焦距系统进行反馈系统对比研究，在该系统中安装了两套位置反馈系统，分别采用旋转电位器和增量式光栅尺，并对各自的误差进行了分析。结果表明，电位器和光栅尺在系统精度控制中的误差界限，为反馈系统的选择提供了一定参考。

1位置反馈元件基本原理

在手动和伺服控制中，电位器作为反馈元件可靠性高，稳定性好，寿命长，广泛应用于各项电子工业领域。电位器的误差一般来自总阻公差、线性公差和一致性公差，影响其控制精度的误差主要为线性公差。电位器的线性公差代表了实际功能特点脱离理论功能特点的程度，一般用输出电压比率来表示，最高精度可以达到±0.1%。在精密角度位置控制系统中，电位器作为记录位置的反馈元件，能够起到一定的精度保证。电位器线性误差曲线如图1所示。

图1　电位器线性误差曲线

相对于电位器，直线型光栅尺是以光刻工艺制造的精密光栅为测量基准，利用莫尔条纹或光学干涉的方法提取位置信号，可以得到增量值和绝对值的位置输出[5-9]。

2旋转式电位器精度分析

旋转电位器有多种结构形式，本文主要针对单圈电位器、5圈电位器和10圈电位器进行测量分析。3种电位器的具体参数如表1所示。

表1　电位器具体参数

为了测量电位器的线性公差，搭建了简易的测试平台，轴角编码器输出参考值，电位器直接读取输出阻值。测量结果曲线如图2所示。

图2　电位器输出阻值与转角关系曲线

3种旋转电位器的测量结果表明，电位器作为反馈元件在全程阻值的中间段，其线性度保持较好，而在两端误差较大，因此使用时要考虑一定的设计裕量。

3试验对比结果

本文主要对旋转电位器作为反馈元件的角度位置系统进行精度分析，实际应用系统为光学变焦距系统。

分析对象为电位器，其未经过齿轮减速器减速，由凸轮齿轮到电位器的速比为：

(1)

电位器的转角为：

(2)

反馈元件选用5圈电位器，型号为25HP-5S，线性误差为0.3%，机械回差为2°。经过两级齿轮传动造成的线性回差分别为δ1、δ2，其中δ1由中心距误差引起的测隙误差σ11、齿轮最小测隙误差σ12以及轴承配合间隙误差σ13组成，各误差之间可以采用线性组合，即：

δ1=(σ11+σ12+σ13)/R1

(3)

式中：σ11=2×Δa×tanα=12μm。

查表得σ12=120μm，σ13=Δ×tanα=14.6μm，因此可得出δ1=1.12°。同理可以计算得到δ2=(19.7+120+29.2)/R2=0.1°。

增量式光栅尺对5圈电位器的标定误差如图3所示。从图3可知，凸轮顺时针和逆时针转动时，电位器的示值变化较大，顺时针转动时线性度误差为0.8%(均方根值)，逆时针转动时线性度误差为0.7%(均方根值)。

图3　光栅尺标定电位器的误差曲线

通过凸轮曲线的数据可得，转角变化0.04°，焦距值变化1 mm，而焦距值的线性重复误差为1%，变倍范围为1 000~4 000 mm，长焦位置误差40 mm，对应转角误差1.6°，短焦位置误差10 mm，对应转角误差0.4°。由电位计传递至凸轮齿轮的累计误差Σδ=(3.64×360×0.3%+2+1.12)/10.919+0.1=0.42°，只能满足长焦误差反馈，其精度值不满足短焦误差的反馈。通过增量式光栅尺可以对电位器的误差进行标定。

光栅尺反馈系统的误差分为固有误差、安装误差和阿贝误差。其中，固有误差为±2 μm，安装误差为传动钉的摆动误差，可以控制在1 μm范围，而阿贝误差为运动轴线与测量轴线之间的平行度确定，可以通过反复检测达到1 μm范围内。因此，光栅尺精度可以达到5 μm重复定位误差，足以作为系统位置反馈，同时也可以作为电位器的参考位置。

4结束语

位置反馈系统对精确控制精密仪器的位移运动有决定性作用[10]。本文对传统位置反馈元件旋转式电位器和高精密增量式直线光栅尺结合组成的双位置反馈系统进行了详细的精度检测和分析。对于高可靠性的电位器，对其精度指标的不足进行了专门的检测，同时利用增量式光栅尺对电位器进行标定。分析结果表明，精度要求高(微米)的场合，电位器的使用具有一定局限性，光栅尺可以作为可选替代反馈系统；在精度要求不高(亚毫米)的场合，综合考虑成本，电位器可以满足系统要求。这为位置控制的反馈系统选型提供了一定参考。

参考文献

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[6] 殷庆纵，刘杰.双光栅尺在高速高精度位移测量中的应用[J].机床与液压,2012,40(17):107-111.

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[9] 张勇，王选择，郭桂珍.一种提高光栅尺测量精度的有效方法[J]．湖北工学院学报，2002,17(4):99-102.

[10]史习敏，黎永明.精密机械设计[M].上海:上海科学技术出版社，1987.------------------------------------------------------------------------------------------------

中图分类号：TH712

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503024

修改稿收到日期：2014-04-08。

第一作者曹艳波(1984-)，男，2009年毕业于华中科技大学机械电子工程专业，获硕士学位，助理研究员；主要从事精密仪器设计与分析研究。