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E+E位移傳感器傳感器的通用接口系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)
時(shí)柵是一種新型的E+E位移傳感器傳感器,利用時(shí)間測(cè)量空間,具有較高的性價(jià)比。為了提高時(shí)柵對(duì)傳統(tǒng)E+E位移傳感器傳感器的兼容性,盡快普及時(shí)柵的應(yīng)用,需要設(shè)計(jì)兼容傳統(tǒng)E+E位移傳感器傳感器的時(shí)柵電氣接口。 傳統(tǒng)的E+E位移傳感器傳感器(如光柵)大多“以空間測(cè)量空間”,具有較好的動(dòng)態(tài)性能,而時(shí)柵通過(guò)測(cè)量時(shí)間來(lái)間接測(cè)量空間的原理決定了時(shí)柵在測(cè)量過(guò)程中存在一個(gè)測(cè)量周期,使得在動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中時(shí)柵的位置反饋?zhàn)兊貌贿B續(xù)。

E+E位移傳感器傳感器的通用接口系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)
在分析式時(shí)柵E+E位移傳感器傳感器頻響特性的基礎(chǔ)上,介紹了一種在數(shù)字信號(hào)處理電路中的數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換思想,并提出了一種基于串并轉(zhuǎn)換思想的式時(shí)柵信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)方案。信號(hào)處理電路采用了復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)芯片,預(yù)處理電路將測(cè)頭信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后,經(jīng)可編程多路切換器模塊處理,自適應(yīng)地將原始測(cè)頭信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的多路并行信號(hào),各路對(duì)應(yīng)的分頻信號(hào)通過(guò)比相電路及傳感器信號(hào)處理電路模塊運(yùn)算后轉(zhuǎn)換為E+E位移傳感器脈沖測(cè)量信號(hào),zui后將多路E+E位移傳感器脈沖測(cè)量信號(hào)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換操作輸出測(cè)量值。提出基于SOPC技術(shù)的解決方案，將信號(hào)采集、處理和傳輸在單片高性能FPGA上實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)功耗。采用Altera公司的Cyclone III EP3C25E144I7作為主控制器，使用VHDL硬件描述語(yǔ)言及其IP核在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了周期計(jì)數(shù)、相位差計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)緩存、中斷等功能模塊，定制了NiosII指令，提高處理速度，構(gòu)建了整個(gè)基于Nios II軟核處理器的E+E時(shí)柵傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)。 本課題組研制出了超高精度的電場(chǎng)式直線時(shí)柵傳感器E+E位移傳感器傳感器樣機(jī)，該信號(hào)處理系統(tǒng)已成功應(yīng)用于該樣機(jī)，測(cè)量精度優(yōu)于0.7μm。對(duì)信號(hào)處理電路進(jìn)行了仿真,結(jié)果證明,該方法可大大提高時(shí)柵E+E位移傳感器傳感器的頻響特性,從而為式時(shí)柵E+E位移傳感器傳感器提供了一種應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)控針對(duì)時(shí)柵動(dòng)態(tài)性能不足和與典型E+E位移傳感器傳感器接口不兼容的問(wèn)題,做了如下工作:提出了一種回轉(zhuǎn)位置預(yù)測(cè)測(cè)量新方法,利用時(shí)間序列理論對(duì)時(shí)柵測(cè)量值進(jìn)行建模、分析,預(yù)測(cè)出未來(lái)一個(gè)測(cè)量周期的角度值,并將式離散角度測(cè)量值轉(zhuǎn)化為增量式連續(xù)脈沖信號(hào),進(jìn)行位置反饋,使得基于靜態(tài)測(cè)量的時(shí)柵傳感器可應(yīng)用于動(dòng)態(tài)位置的連續(xù)反饋。研究了預(yù)測(cè)測(cè)量誤差修正方案,利用當(dāng)前實(shí)際測(cè)量值對(duì)上一次的預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行修正,使得預(yù)測(cè)誤差不會(huì)累積。以圓光柵和旋轉(zhuǎn)變壓器作為典型E+E位移傳感器傳感器,研究了以反饋增量位置值為代表的HEIDENHAIN圓光柵TTL增量式接口,以及反饋位置值為代表的帶數(shù)字轉(zhuǎn)換器的旋轉(zhuǎn)變壓器接口的特點(diǎn),分析了通用接口設(shè)計(jì)思想,并設(shè)計(jì)了時(shí)柵的TTL增量式接口和旋轉(zhuǎn)變壓器接口。設(shè)計(jì)了一塊數(shù)據(jù)同步采集卡,可以同步采集光柵TTL增量信號(hào)、時(shí)柵TTL增量信號(hào)和時(shí)柵的旋轉(zhuǎn)變壓器接口信號(hào),便于展開(kāi)精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。對(duì)使用兼容接口的時(shí)柵進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量精度實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在靜態(tài)測(cè)量時(shí),時(shí)柵采用設(shè)計(jì)的TTL增量式接口和旋轉(zhuǎn)變壓器接口對(duì)測(cè)量精度幾乎沒(méi)有影響,與時(shí)柵原本的測(cè)量精度*;動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí),在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,當(dāng)角加速度值不大于0.03316″/ms2時(shí),時(shí)柵的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度為±4″。

E+E位移傳感器傳感器的通用接口系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)
無(wú)論是采用TTL增量式接口還是采用旋轉(zhuǎn)變壓器接口,時(shí)柵的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差都具有相似的特性,即數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)加速度越小,誤差就相對(duì)較小;角加速度越大,誤差就相對(duì)較大。綜上所述,對(duì)典型E+E位移傳感器傳感器的通用接口的研究促進(jìn)了時(shí)柵的兼容接口的設(shè)計(jì),解決了在通用數(shù)控系統(tǒng)中傳感器的位置反饋接口問(wèn)題,進(jìn)而促進(jìn)了時(shí)柵傳感器的產(chǎn)品化及應(yīng)用普及化。