光栅位移传感器在位置伺服系统中的应用及误差分析.pdf

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1、2 0 0 8 年8 月第3 6 卷第8 期机床与液压M A C m N ET 0 0 L&H Y D R A U U C SA u g 2 0 0 8V 0 1 3 6N o 8光栅位移传感器在位置伺服系统中的应用及误差分析陈庆樟(江西农业大学工学院，江西南昌3 3 0 0 4 5)摘要：介绍了光栅位移传感器的原理和特点及其在闭环位置伺服系统中的应用，对于位置伺服系统的系统误差作了理论分析。利用光栅位移传感器对位置伺服系统进行了动态测量和控制。结果表明，光栅位移传感器精度高，稳定性好，不接触、无磨损、抗干扰能力强，输出信号大。关键词：位置伺服系统；光栅位移传感器；误差分析中图分类号：T M

2、9 2 1文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 3 8 8 1(2 0 0 8)8 2 1 6 2T h eA p p l i c a t i o no fG r a t i n g-d i s p l a c e m e n tS e n s o ri nP o s i t i o nS e r v oS y s t e ma n dI t sE r r o rA n a l y s i sC H E NQ i n g z h a n g(C o l l e g eo fE n g i n e e r i n g，J i a n g x iA g r i c u l t u r a lU

3、n i v e r s i t y，N a n c h a n gJ i a n g x i3 3 0 0 4 5，C h i n a)A b s t r a c t：T h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e ro fg r a t i n g d i s p l a c e m e n ti s e n s o rw e r；ei n t r o d u c e d T h es y s t e m a t i ce r t D l-o fp o s i t i o ng e r v os y s t e mW a Sa n a l y z e d

4、 T h ed y n a m i cm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo nt h ep o s i t i o ns e r v os y s t e mw a sc a r r i e do u tb yg r a t i n g d i s p l a c e m e n t$e n g o t T h er e s u l ts h o w st h a tt h eg r a t i n g d i s p l a c e m e n t n$o rh a sh i g I lp r e c i s i o n，g o o ds t a

5、b i l i t ya n ds t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y K e y w o r d s：P o s i t i o n8 e r v os y s t e m；G r a t i n g d i s p l a c e m e n ts e n s o r；E r r o ra n a l y s i s0 引言光栅是闭环位置伺服系统中用得较多的测量装置，可用作位移或转角的检测，且测量输出的信号为数字信号。它测量范围大，测量精度高，可达几微米。光栅传感器把被测位移量转变为电信号，经前置放大和电路

6、处理后，送入下位机进行综合运算处理后输出，并通过L E D 显示。目前在精密机加工和数控机库中采用的精密位移数控系统框图如图1 所示。键盘控制r-1H 显示与控制系上位计算机系统图1 精密位移数控系统框图1光栅位移传感器测量系统光栅是采用光栅莫尔条纹和光电转换技术原理将被测的位移量转换成数字电信息量输出的一种现代传感器。传感器与光栅数显表(或与装在微机插板上的细份卡)m-起组成测量或控制系统。光栅测量系统的结构：光栅传感器为两个光敏三极管，其输出是与光栅莫尔条纹对应的、相位不同的近正弦波状的电信号，再经差动放大、整型、细分、方向辩别等电路，最终送到可逆计数器进行计数。如图2 所示，该系统对伺服

7、系统位移的检测是通过光栅移动产生的莫尔条纹与光电检测电路配合完成的，并以计算机为核心构成信号处理与闭环控制。该系统具有自动辨别光栅移动方向，实现自动定位控制，过限报警及数码显示等功能。图2 光栅位移传感器测量系统2 位置伺服系统中光栅位移传感器的应用为了追求更高的精度要求，利用光栅位移传感器测量稳定、精度高的特性在工作台上安装了密封式光栅线位移传感器，测量值作为返回值，与输入值比较后作为输入值，如此组成全闭环伺服系统。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。2 1 光栅位移传感器J G X 系列密封式光栅线位移传感器是新一代精密型线位移测量传感器。它

8、与光栅数字显示仪(或与装在计算机插板上的细分卡)一起组成测量系统。光栅位移传感器内标尺光栅的栅距：0 0 1 m m(1 0 0 对线z m)，o-0 2 m m(5 0 对缈n l l l l)；量程：0 34 0 0 l n n(范围内任选，光栅不用接长)，最大量程收稿日期：2 0 0 7 1 l 1 9基金项目：江苏省自然科学基金项目资助(B K 2 0 0 7 0 9 3)作者简介：陈庆樟(1 9 7 3 一)，男，江西泰和人，江苏大学汽车与交通工程学院讲师，博士，主要研究方向为汽车机电一体化、电液伺服控制。电话：1 3 2 2 5 1 1 0 5 2 9。E m a i l：c h

9、e n q z l 9 7 3 B i 胞c o l n。黼i-r1动统一驱系一下位机 万方数据第8 期陈庆樟：光栅位移传感器在位置伺服系统中的应用及误差分析2 1 7 0 75 0 0 r a m(须接长)；测量精度(2 0。C)：3 3,10 0 0 l a,m，5 5,10 0 0 岬，其中为传感器的有效量程；测量重复性：1 2 个分辨率；参考零位(A B S)：5 0 线光栅每隔5 0 r a m 设有一个零位，2 5线光栅每隔2 0 0 r n m 设有一个零位，输出信号为正脉冲。工作稳定可靠、测量精度高，并且通过1 1 2 3 2 口可以在计算机上显示出测量值。2 2 位置伺服系统

10、线位移测量由于N 伺服系统系统线位移的测量可以即时提供不同的速度要求，通过给定速度和测试速度进行分析。对X 轴的量程范围内每5 0 r a m 为单位给定位移，从光栅数字显示仪读取每次显示的结果，如表l所示。表1X 轴位移测定值a i m由表l 可知，线位移误差是个累积量，因而它是系统误差(主要是由机械间隙引起的)。3 位置伺服系统误差分析定位精度的高低用定位误差的大小来衡量。定位误差采用统计检验的方法确定。定位精度受到所有电气控制系统和机械装置精度的综合影响。不同的伺服控制方法对系统的精度影响不同。3 1 提高定位精度的措施及定位误差补偿方法因为系统性误差在总误差中占较大比重，必须采取措施减

11、小系统误差来提高系统定位精度。主要采取的两种最基本的方法是一是从误差产生的根源采取措施，如从结构设计和制造及在安装上提高精度；二是采用误差补偿的方法，采用电气补偿或软件补偿的方法补偿。(1)定位误差补偿原理人为地制造一个与原误差大小相等、方向相反的误差去补偿修正原有误差，即占j+占：一Oi=1，2，3，n式中：晟为各定位点的定位误差值，占：为误差修正值。只要实测出各坐标轴的定位误差后，就可以确定误差修正值对空间或平面任一点的定位误差进行补偿。一般用于补偿系统误差，因为系统误差总是大于随机误差，可以取得显著效果。(2)电气补偿法在控制系统中设置相应的间隙补偿电路和螺距补偿电路以达到误差补偿的目的

12、。(3)软件补偿法利用软件进行计算机辅助补偿的方法消除定位误差，可以包括螺距累积误差补偿、反向间隙误差补偿及热变形误差补偿。还可以根据定期测定的定位误差值，补偿由于磨损等引起的精度损失。灵活性大，补偿量可以方便地改变。3 2 定位精度测量实际定位误差包括系统性误差和随机性误差两类。对于某一目标位置，当移动部件沿某一坐标轴从一个方向按给定指令移动时，其实际到达的位置与目标位置之间总存在误差。重复定位的次数越多，误差值盯越可能呈现出围绕某一平均值的两侧做正态分布，该平均值与目标值之间的位置偏差反映了该移动部件系统存在的系统性误差。误差的离散带宽 分散范围 反映了该系统的随机性误差。在误差呈正态分布

13、的情况下，离散带宽等于6，为均方根误差，计算公式为：式中：r,为重复定位(测量)次数(n 足够大时，n 1 0 0)；茗。为实测误差值；元为实测误差的平均值，即位置偏差。14牙=二置(2)l2 1某点的定位误差定义为该点的位置偏差与该点离散度之和，并取其最大绝对值。艿=i 3 0-(3)误差的离散带宽表示了该点的重复定位精度，即重复定位精度尺(R=6 0-)。当移动部件从正反两个方向多次重复趋近某一点定位时，正反两个方向的位置偏差不同，即反向时产生了不灵敏区，称之为反向差值 或称矢动量。4 结论利用光栅位移传感器对位置伺服系统进行了动态测量和控制。结果表明，它精度高，稳定性好，不接触、无磨损、

14、抗干扰能力强，输出信号大。可直接运用于数码雕刻、包装机械、模具生产等工业生产应用场合。由于它构成了一个三维立体的伺服控制系统，(下转第2 8 5 页)万方数据第8 期王红梅：四轮转向控制系统中的串行通信设计2 8 5 单、可靠。4 串行通信软件设计串行通信软件设计主要包括D S P 系统初始化，S P I、S C I 初始化，S P I 数据显示3 个部分。4 1D S P 系统初始化软件编程时，必须对系统的一些配置寄存器进行设置。T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 的数字输输出模块大多数都是基本功能和一般I O 口复用。初始化的时候需要划分基本功能口和一般I 0 口，基本功能口包

15、括串行通信口(S C I T X D I O P A O，S C I R X D I O P A l 等)和事件管理器E V B。一般I 0 口包括开关量输人口和开关量输出口，初始化时需要对输输出口的数据类型和传输方向进行设定，以及对一 置S T O、S T I 各位，令X M=0 O V M=0。C N F0 I N T M lI设置系统状态寄存罂，并打开S P I、S C I 时钟I禁止看门狗并清除全部中断标志图5 系统初始化步骤及流程图些指针、标志和自定义变量进行初值设置。此部分程序设计主要是为了使D S P 进入正常的工作状态。流程图如图5 所示。4 2S P I 与S C I 初始化

16、T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 的S P I 和S C I 初始化包括以下几个部分：把相对应的I O 口配置成具有S P I、S C I 的特殊功能；时钟模式的选定；波特率选择；发送接收数据长度选择；内部相对应的时钟使能。所有设置都是通过相对应的S P I、S C I 控制寄存器实现的。具体步骤及流程图如图6 所示。配置S P I S I M O，S P I C C K引脚为特殊功能方式设置S P I C C R 寄存器8 位数据输出设S P I C T K L 寄存器：主机方式，时钟为无延时下降沿及波特率设置修改S P I C C R 寄存器，初始化结束，关闭初始化使能位配置

17、S C I T X D，S C I R X D引脚为特殊功能方式设S C I C C R 寄存器，l 位停止位无奇偶校验，地址唤醇模式，8位数据输出及波特率设置I修改S C I C C R 寄存器，初始化结束关闭初始化使能位图6S P I、S C I 初始化步骤及流程图4 3S P I 数据显示此模块用于开机后系统的工作状态显示。开机后，系统如果自检正常，就显示相应代码P 0 0；如果出现表1 提到的故障，就显示相应的故障代码，如F 0 0、F 0 1 等。这样，操作人员在系统发生故障时就能准确地判断出故障发生的原因，及时采取故障排除措施，使故障得到排除。流程图如图7 所示。根据故障标志l 清

18、中断标注寄存_ 目暑|取故障代码ITl 高竹数据送l表确定显示数据IS P I T X B U F lt呤l 初始化s P I l位数据送S P I T X B U F孽厶是上图7S P!数据显示流程图5 结束语通过实际运行表明，采用T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7D S P 内嵌的S P I 和S C I 所设计的串行通信模块，能够及时准确地反映四轮转向系统的工作状态，及时显示相应的故障代码，为操作人员进行故障诊断提供了很好的依据。而且，接口电路简单、设置灵活、性能可靠稳定。参考文献【l】王红梅基于D S P 的四轮转向控制系统研究 D 长安大学，2 0 0 4 3【2】刘和平

19、，等T M S 3 2 0 L I n 2 4 0 xD S P 结构、原理及应用 M 北京航空航天大学出版社，2 0 0 2 4【3】张光裕，许纯新工程机械底盘设计 M 机械工业出版社，1 9 8 9 9【4】郭孔辉，轧浩四轮转向控制方法的发展 J 中国机械工程，1 9 9 8(5)【5】张祝新，王华工程车液压四轮转向系统的研究和实践 J 液压与气动，2 0 0 2(4)(上接第2 1 7 页)通过微机编程，可进行3 个自由度的协调控制，实现高速、高进度、低震动等伺服特性，还可用于机器人控制、柔性制造业等领域。参考文献【1】刘春平，宋汉阁光栅衍射实验现象引发的新思考 J 大学物理实验，2 0

20、 0 4(1)：2 2 2 5【2】张金龙激光莫尔传感器在精密定位中的应用 J 南京师范大学学报：工程技术版，2 0 0 4(1)：3 5 3 7【3】谢锡棋，杨焕明位置伺服系统中伺服电机的实验建模 J 北京理工大学学报，1 9 9 6(3)：6 9-7 2【4】姚世选，常晓明，李嫒嫒微机控制多媒体环境下的测微仪及精度分析 J 太原理工大学学报，2 0 0 3(6)：7 2 2 7 2 4【5】骆力明，苏琳，张汉煜基于数据的分布式网络视觉监控系统设计与实现 J 微计算机信息，2 0 0 7(3)：1 1 1 3 万方数据光栅位移传感器在位置伺服系统中的应用及误差分析光栅位移传感器在位置伺服系统

21、中的应用及误差分析作者：陈庆樟，CHEN Qingzhang作者单位：江西农业大学工学院,江西南昌,330045刊名：机床与液压英文刊名：MACHINE TOOL&HYDRAULICS年，卷(期)：2008,36(8)被引用次数：5次 本文读者也读过(3条)本文读者也读过(3条)1.张梅.曹卫锋.文方 USB总线在光栅位移传感器检测系统中的应用期刊论文-今日电子2007(5)2.曹卫锋.张梅.文方.谢泽会.CAO Wei-feng.ZHANG Mei.WEN Fang.XIE Ze-hui 高速高精度光栅位移传感器辨向与细分算法的设计期刊论文-组合机床与自动化加工技术2010(9)3.张梅.曹

22、卫锋.文方.ZHANG Mei.CAO Wei-feng.WEN Fang 基于USB总线的光栅位移传感器检测系统设计期刊论文-仪表技术与传感器2009(7)引证文献(6条)引证文献(6条)1.谭向全 紫外光刻光源设计与分析期刊论文-机械工程师 2013(6)2.郑忠杰.陈德传 基于STM32的光栅尺速度位移检测期刊论文-杭州电子科技大学学报 2013(5)3.曹卫锋.张梅.文方.谢泽会 高速高精度光栅位移传感器辨向与细分算法的设计期刊论文-组合机床与自动化加工技术 2010(9)4.赵浩 高频脉冲插值测量扭振及实验研究期刊论文-制造技术与机床 2011(12)5.赵浩.童佳.王春龙 一种基于高频脉冲插值的角加速度测量系统期刊论文-成组技术与生产现代化 2010(4)6.赵浩.童佳.王春龙 一种基于高频脉冲插值的角加速度测量系统期刊论文-成组技术与生产现代化 2010(4)本文链接：http:/