高精度光电编码器信号补偿技术的研究进展

发布时间：

2023-02-27

高精度光电编码器信号补偿技术的研究进展

近年来，由于多领域对于旋转控制需要的增长，光电编码器获得了广泛的应用，同时也对光电编码器的测角精度和分辨力提出了更高的要求。指出了光电信号补偿技术的发展为光电编码器精度的提高提供了重要保障；介绍了光电编码器的原理及衡量光电信号质量的4项指标；从此4项指标出发，总结了国内外的信号自适应补偿技术的研究现状；最后，分析了现有补偿方法的优点和存在的限制，展望了光电编码器信号补偿方法的发展趋势。

在各种电机控制系统中，可靠的位置反馈信息对于系统的控制起着至关重要的作用，光电轴角编码器是当前最重要的位置反馈信息获取方案^[1]，主要用于测量转子的角位置和转速。和传统角度测量装置相比,光电轴角编码器不但能够达到更高的分辨力和精度，还具有高频响以及体积小、重量轻、结构简单、可实现数字量输出等多项技术优势。高精度的光电编码器满足高精尖领域对于测量的精度和速度的超高要求，广泛应用于航空航天、精密仪器仪表、自动化控制等各个领域^[2-3]。

光电编码器是一种根据莫尔条纹原理研制的角位置传感器。光电接收元件（如光敏二极管）接收通过重叠的狭缝和码盘的莫尔条纹光信号，当编码器旋转时，获得一个接近正弦信号的电信号；通过安装另一不同角度的狭缝，获得一个与正弦信号相位差为π/2的余弦信号。

1. 直流电平漂移、等幅性偏差补偿

对莫尔条纹光电信号直流电平漂移、等幅性偏差的补偿主要是通过硬件电路补偿法，并朝着自动化方向不断改进。

1.1 硬件补偿法

早期对于信号的直流电平漂移与等幅性偏差，采用人工手动调节电位计的方法进行补偿。为了实现信号的实时自适应补偿，近年来，研制了使用数字电位计的补偿电路。

1.2 光学补偿法

在光栅上增加全透光通道的方法补偿直流电平偏差，该方法将经过全透光通道的信号反相偏置后补偿给正余弦信号，抵消了绝大部分的直流电平偏差。

1.3 软件补偿法

Jong-Joo Moon提出了依赖于编码器输出信号的lissajou图的补偿方法^[6]，通过计算lissajou圆在四个象限的面积和半径估计幅值误差和直流偏移误差，对此二项误差进行校正，并显示相位误差对圆面积和半径的影响。

2 正交性偏差补偿

正交性偏差是影响细分的主要偏差，现有的对正交性偏差的补偿方法主要包括光学补偿、软件补偿和硬件补偿。

目前对光电信号的细分误差采取的补偿方法主要分为光学补偿、软件补偿和硬件补偿三类。其中,光学补偿法只能补偿部分偏差；硬件补偿方法需要额外增加硬件电路，使得编码器可靠性下降，增加了编码器成本；软件补偿方法主要是采用基于DSP/FPGA的现代信号处理方法对光电编码器信号进行滤波或补偿，或从三角函数角度出发对信号进行处理。现有的补偿算法中，一部分算法需要获取周期性采样数据，无法实现实时自适应补偿，而且对编码器的旋转频率提出了要求，限制了编码器的应用条件；另一部分补偿算法复杂性高，运行缓慢，信号的输出延迟高。因此为了进一步提高编码器的精度，也为了满足实际工程的需要，对光电编码器信号补偿方法的研究可以从以下内容开展：

（1）快速的实时自适应信号补偿算法

为了同时提高补偿速度，又达到满足工程实际需要的精度，可以进一步研究编码器光电信号的实时自适应补偿算法。从编码器输出信号的本质出发，改进运算公式、降低运算复杂度，研究出具有高可靠性、能够快速实时补偿光电信号的补偿算法，对提高编码器精度具有重要意义。

（2）信号动态补偿方法研究

现有的补偿方法主要是针对编码器在静态测量情况下的输出信号，当用编码器动态测量位置和速度，输出信号与静态不同。已有对编码器动态误差的检测和计算方法^[25-26]，但对动态输出信号自动补偿方法仍需要更多研究。

（3）新型编码器信号补偿方法研究

近年来，对光电轴角编码器的需求越来越高，对编码器的性能要求越来越多样化。许多满足不同用途的编码器类型被研制出，如单圈绝对式编码器、图像编码器、光纤编码器等，由于这些编码器采用了与传统编码器不同的理论，因此其信号产生原理也与传统不同，信号所含误差也不同于以往。在研制新型编码器的过程中，对其信号误差进行分析与补偿是实现编码器更高精度的有利保障。

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