基于LabVIEW的光栅编码器动态特性检测系统

吴文峰, 李志斌, 杨 勇, 夏 坤, 卢 丹

(上海电力学院，上海 200090)

0 引 言

光栅编码器是一种通过光电转换技术将角度位置信号转化成一系列脉冲输出的角度测量传感器，因其较高的测量精度和性价比被广泛地应用在航空航天、数控机床、雷达监测等精密测量与控制领域[1-2]。精度作为评价光栅编码器好坏的重要指标，是编码器生产研制中必须进行检测的参数。目前国内对于编码器的检测，主要是通过检测编码器的测角误差，即通过比对高精度编码器或基准角度仪与被检编码器所测角度间的差值，以测角误差来衡量编码器的精度[3-5]。上述检测还只是静态的，无法反映编码器输出信号的动态特性。随着社会的不断进步，各个领域对于编码器的要求也越来越严格。由于编码器的精度直接受输出信号动态特性的影响，因此对于编码器的检测不能只停留在对编码器的测角误差上，还应该对编码器输出信号的动态特性进行检测。对编码器动态特性的检测主要是对一定转速下编码器输出信号的均匀性、正交性、脉冲信号占空比的检测[6]。目前国内常用的检测方法是通过示波器观测编码器的输出信号，但由于手动旋转编码器无法保证转速的恒定从而检测误差大，并且检测周期长，检测过程繁琐。在此基础上，杜颖财等提出了利用STM32F107 搭建编码器自动检测系统，解决了手动检测中的不足，完成了对输出信号的正交性和均匀性检测[7]，但此种方法硬件电路设计较多，开发周期较长。

针对编码器动态特性检测中存在的上述问题，本文提出了一种基于LabVIEW的光栅编码器动态特性检测系统的设计方案。所设计的系统能够满足对编码器输出信号频率、正交性、均匀性、脉冲信号占空比等的检测。实验证明此系统具有检测效率高，测量效果好，检测结果清晰直观等优点。

1 光栅编码器动态特性检测原理

1.1 编码器输出信号

光栅编码器旋转时正常情况下输出信号为AB两路频率相同，幅值相等，相位相差四分之一周期的脉冲信号。编码器旋转一周将产生一系列脉冲，脉冲个数取决于编码器的线数，线数越多编码器分辨率越高。通过测量编码器输出AB两路脉冲信号的相位前后相对位置，可以获得编码器的转向信息；通过对编码器输出信号脉冲计数，可以获得编码器转过的位置信息；通过测量编码器输出信号脉冲频率，可以求取编码器的转速信息。

1.2 动态特性检测原理

编码器动态特性的检测主要是对输出信号的均匀性、正交性、脉冲宽度占空比的检测，检测原理图如1所示。

图1 信号方波检测原理图

对于均匀性J、正交性Z和占空比O的检测，可以结合检测原理图和式(1)～式(3)，进行说明如下：

(1)

式中：W1，W2分别是脉冲信号A的连续两个周期的高电平持续时间；T为信号A的一个周期时间；W3为脉冲信号A，B之间的相位差；W4为信号B的半周期时长。均匀性与占空比是用以表征输出信号脉冲匀称情况，正交性是用来衡量AB两路正交信号的相位偏移程度。由此可知，我们只需测出相关字母所对应的时长W1～W4，再代入式中就能得到所要求的量。

2 基于LabVIEW的光栅编码器动态特性检测系统设计

2.1 检测系统的总体架构

本文设计了如图2所示的检测系统，进一步解决编码器动态特性传统检测方法中所存在的检测周

图2 检测系统总体架构

期长、检测误差大、检测过程繁琐等缺陷。系统主要由无刷直流电动机、直流电动机稳速控制模块、联轴器、被检编码器、系统支架、数据采集系统和PC显示器组成。

检测系统工作时，直流电动机稳速控制模块驱动控制电机以给定的速度稳速运转，在联轴器的联结下，无刷直流电动机带动被检编码器做同轴同速旋转；系统支架用于固定安装电机与被检编码器，保证两者转动过程中能够稳定不晃动，有助于减少因高速运转产生的振动带来的误差问题；数据采集系统用于测量采集公式中所提到的相关参数，并进行相关计算与数据处理；PC显示屏便于直观清楚地显示所检测的结果数据。

2.2 数据采集系统设计

数据采集系统采用NI公司生产开发的NI PXIe-6361多功能数据采集卡以及LabVIEW编程软件进行设计。PXIe6361提供了丰富的模拟I/O和数字I/O以及四个32位计数器/定时器，时钟频率最高可达100 MHz，能够较好地应用于PWM、编码器、频率、事件计数等应用。该设备利用高吞吐量PCI Express总线和多核优化的驱动程序和应用软件，提供了高性能功能。结合LabVIEW图形化编辑语言G编写程序简单易懂的优势，只需编辑程序框图，即可在前面板上清晰快捷地设计测量界面[8-9]。通过使用随附的NIDAQmx驱动程序和配置实用程序，无需过多的硬件电路与驱动设计，便可快速地创建测量任务，可以大大简化配置和测量，缩短开发周期，使得程序设计更加高效便捷，结果显示更加直观方便。

前面提到编码器动态特性检测的原理，对于均匀性、正交性以及脉冲宽度占空比等的测量都是基于对时间的测量，因此只需编程测量脉冲信号的相关时段，再按照式(1)～式(3)设计相关数值计算便可求取。

均匀性测量的程序框图如图3所示。

任务中创建脉冲宽度测量的虚拟通道，采样模式设置为连续采样，数据读取为单通道N采样，每次循环采样数设置为编码器的每周输出信号数，可以实现整周采样；在计数器0采样中，创建抽取数组用于存放相邻采样脉宽周期，再按照式(1)在程序中设置数值运算，将计算结果用一个数组存放，取其最大值便可求取整周输出中均匀性误差最大值。物理连接上只需将编码器输出信号AB两路脉冲信号中的一路信号接至计数器0的GATE端即可。对于NI PXIe6361计数器0(CTR0)，GATE端为PIN 3(PFI9)引脚。运行程序即可在程序前面板上得到测量结果。

图3 均匀性测量程序框图

正交性测量的程序框图如图4所示。

图4 正交性测量程序框图

任务中采用两个计数器独立计数，创建两边沿间隔与脉冲宽度测量的虚拟通道，采样模式设置为连续采样。物理连接上将编码器的输出信号A接至计数器0的辅助接线端AUX；将输出信号B分别接至计数器0和计数器1的GATE端。对于NI PXIe6361计数器0(CTR0)，其AUX端为PIN 45(PFI10)引脚，GATE端为PIN 3(PFI9)引脚，计数器1(CTR1)GATE端为PIN41(PFI4)引脚。经过上述连接之后，运行程序在计数器0中将得到W3的测量值，计数器1中将得到W4的测量值，再通过程序中简单的数值计算即可求取正交性百分比。采样及计算得到的数据结果可以在前面板的测量界面中直观地看到。

2.3 电机稳速控制模块

电机调速驱动选用ZM-BL4810K无刷直流调速器，该调速器采用大规模集成电路代替硬件电路设计，具有更高的抗干扰性能和快速响应能力，同时支持8种状态(详见表1)的参数设置；采用电流、速度双闭环的设计，低速力矩大，运行平稳，高速响应快，稳定可靠。

实验时将电机相线、霍尔线与调速器后面板端口上的相线、霍尔线依次对应相连；通过前面板上的MODE/SET键进入状态参数设置，通过上下键调整不同的设置状态，左右键调整参数的数值，分别设置实验中需要的转速、加速时间，选择有霍尔，闭环运行以及键入电机极对数，按ENTER键予以确认，按ESC键退出参数设置状态；将控制信号端口的DIR转向控制接线端悬空或接+5 V设置电机正转，EN电机起停控制接线端与地短接电机起动转动。

表1 状态代码

3 实验与误差分析

3.1 检测实验

实验中选用的编码器是德国赫斯默(HESMOR)公司生产的一款增量式编码器(型号为HID-58K-360),此编码器转过一圈将输出360个脉冲方波。实验在不同转速下采用两种方法对编码器输出信号的脉冲宽度占空比、均匀性和正交性进行了检测，检测结果如表2所示。

从表2中可以看到，两种测量方法的检测结果基本一致，误差在1%左右。对于实验中所用到的HID-58K-360编码器，它的输出信号脉冲宽度占空比约为39%，均匀性约为4%，正交性约为13%。采用示波器检测时，同样使用电机带动编码器转动，减少因手动转动编码器带来的转速不恒定而产生的误差问题。所要注意的是采用示波器检测，只能锁定有限个信号周期，检测结果无法反映全周输出信号的特性，会漏掉一些检测点，检测不到最大误差。基于此缘由，在表2中看到，采用示波器的检测结果要稍小于基于LabVIEW的检测结果。另外，采用示波器检测时，需要将测量的参数代入公式进行手动求解，过程比较耗时。

表2 HID-58K-360编码器动态特性检测结果

3.2 误差分析

在实验过程中，检测结果会受到电机转速的稳定性，电机与编码器轴连接的同轴度以及数据采集速率的影响。电机转速稳定与否，将对输出脉冲信号的周期频率产生影响，从而给编码器动态特性的检测引入误差，将此误差记为δ1；输出信号受电机与编码器联结同轴度影响而产生的误差记为δ2；由高速旋转，输出信号频率过快，从而数据采集产生的误差记为δ3。

对于δ2，此误差主要由选用的联轴器所确定，设计中选用的是弹性联轴器，超强的弹性扭矩可吸收振动，抵消径向和角向偏差，其带来的误差不超过2″。

4 结 语

本文基于LabVIEW的光栅编码器动态性能检测系统，采用LabVIEW 软件搭配NI多功能数据采集卡进行数据采集与检测设计，将图形化编程简单高效的特点以及高速数据采集的双重优势结合起来，大大缩短了系统开发周期，提高了检测系统检测效率与检测精度。通过实验与误差分析，此检测系统能够满足300～1 000 r/min调速范围内，对精度不超过18″光栅编码器输出信号脉冲宽度占空比、正交性、均匀性等动态性能的检测。