軸角編碼器自動檢測平臺設計研究

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摘要：軸角編碼器是某指控裝備的核心器件，其主要功能是把輸入軸的轉動角度轉變成一個對應的二進制編碼。該部件出現(xiàn)的故障頻率高且部件脫離系統(tǒng)后修理難度大，因此提出研制軸角編碼器自動檢測平臺的需求。檢測平臺基于PXIe總線架構，選用多功能多路信號輸入/輸出采集卡采集軸角編碼器的輸出編碼、采集軸角編碼器工作時的轉速及扭矩信號；選用程控電源模塊提供檢測平臺所需的供電電源。運用開源測試軟件SeeSharpTools開發(fā)檢測平臺應用軟件。具備模擬軸角編碼器實際工作狀態(tài)，實時顯示轉動軸扭矩、轉速值，采集編碼器旋轉角度對應的編碼值并顯示，并具有測試結果分析及打印測試報告的功能。使用L支架結構安裝軸角編碼器，滿足檢測過程中頻繁更換被測件的需求，極大提高了該軸角編碼器的檢測效率。

關鍵詞：軸角編碼器；PXIe總線；格雷碼；解碼算法；虛擬儀器；零槽控制器；信號采集卡；SeeSharpTools

軸角編碼器主要用于運動伺服控制系統(tǒng)中測量角度位置，是一種把轉子的角信息轉換成與之對應的電信號的傳感器[1]，其具有精度高、環(huán)境適應性強、結構簡單且成本低等優(yōu)點[1]。在某指控系統(tǒng)中軸角編碼器得到了廣泛的應用，是該指控系統(tǒng)的核心器件。軸角編碼器的主要功能是把輸入軸的角度（0°~360°）信號轉換成一個對應的二進制編碼。軸角編碼器內部是一個有絕緣層和導電層的滾輪，其導電層上通有5V脈沖電壓，電刷在滾輪上滑動時，分別會接觸到絕緣層和導電層，接觸到絕緣層時電刷輸出“0”，接觸到導電層時電刷輸出“1”。滾輪在不同的角度時，電刷上就會出現(xiàn)相應的不同編碼。由于軸角編碼器工作時存在機械磨損，因而使用一段時間后會出現(xiàn)電刷接觸不良現(xiàn)象，導致軸角編碼器輸出錯誤編碼，引起指控系統(tǒng)發(fā)生接收雷達、聲納等外部信息源數(shù)據(jù)誤差大、魚雷發(fā)射時無法給魚雷裝定發(fā)射參數(shù)等故障。由于該部件出現(xiàn)的故障頻率高且部件脫離系統(tǒng)后修理難度大，故提出研制軸角編碼器自動檢測設備的需求。

1軸角編碼器在某指控系統(tǒng)中的運用

軸角編碼器通過機械輸入軸與外部機械結構耦合，轉動輸入軸，機械角度發(fā)生變化；編碼器便通過32芯的插座，輸出當前軸角相對應的并行數(shù)字編碼。一個軸角編碼器共有19個電刷，實際輸出為19位并行數(shù)字編碼（Y1~Y19），這19位并行數(shù)字編碼經(jīng)過相關電路進行表1的解碼變換，得到13位有效數(shù)字編碼（X1~X13）。其中1~7位為格雷碼，8~13位為高六位編碼。格雷碼是一種無權碼，其編碼特點是任意兩相鄰代碼間只有一位數(shù)碼不同，這對數(shù)碼的傳輸有很大的幫助，因為它大大減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時電路中的模糊狀態(tài)，提高了電路的抗干擾能力，所以格雷碼是一種錯誤最小化的編碼[1]。高六位編碼（8~13位）的編碼值由相鄰的低位碼確定，即第八位碼值根據(jù)第七位的碼值確定，第九位碼值根據(jù)第八位的碼值確定，以此類推。舉例說明：假設軸角編碼器輸出的編碼為：0101010101010011011（從高到低），則根據(jù)表1的轉換公式可解碼得到輸出為0101010010010（X13~X1）。將13位二進制編碼轉換成十進制數(shù)，則數(shù)值范圍為0~8191。當軸角編碼器正向旋轉時，旋轉角度從0°~360°變化，十進制數(shù)值從0開始，逐漸增大至8191；當軸角編碼器反向旋轉時，旋轉角度從360°~0°變化，十進制數(shù)值從8191逐漸減小至0。如果出現(xiàn)無規(guī)律的跳碼或編碼值無變化，說明軸角編碼器已經(jīng)損壞。

2軸角編碼器自動檢測平臺設計

隨著計算機技術、信號處理技術、軟件技術的發(fā)展，虛擬儀器（VirtualInstrument，VI）已經(jīng)成為測控技術的主流技術[2]。1997年推出的PXI總線技術，綜合了PCI、VXI總線和GPIB總線的優(yōu)點，迅速應用于各領域的測試、診斷平臺技術[3]。而PXIExpress總線[4]（PXIe）作為PXI總線的擴展，具有高數(shù)據(jù)吞吐量、模塊化集成等關鍵技術優(yōu)勢。軸角編碼器自動檢測平臺采用PXIe架構設計，具有5個PXIe槽位。主要系統(tǒng)實現(xiàn)如下功能：1）模擬軸角編碼器的實際工作狀態(tài)；2）實時顯示扭矩、轉速值；3）軸角編碼器正轉一個循環(huán)：顯示數(shù)據(jù)按加1的規(guī)律從0~8191變化；4）軸角編碼器反轉一個循環(huán)：顯示數(shù)據(jù)按減1的規(guī)律從8191~0變化；5）自動記錄編碼值數(shù)據(jù)，生成檢測報告；6）輸出電源檢查：2路0~48V可調電源，最大電流2A。

2.1系統(tǒng)方案

基于PXIe總線的軸角編碼器自動檢測設備由工控機、試驗臺架、直流電機、被測軸角編碼器、扭矩傳感器組成。直流電機作為軸角編碼器的執(zhí)行機構，帶動軸角編碼器旋轉。扭矩傳感器安裝于試驗臺架的傳動軸上。扭矩傳感器測量的轉矩、轉速信號送至工控機內的信號采集板卡，經(jīng)軟件轉換后，顯示轉矩、轉速值。軸角編碼器輸出的編碼信號送至工控機內的數(shù)字信號采集卡，經(jīng)軟件解算后顯示器顯示有效數(shù)字編碼值。工控機內的程控電源模塊為直流電機、被測軸角編碼器提供電源；開關電源為檢測設備中的扭矩傳感器提供工作電源。該測試系統(tǒng)的整個工作過程在PXIe機箱中的零槽控制器的統(tǒng)一控制下完成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2.2硬件設計

2.2.1主控計算機主控計算機是整個測試平臺的核心[5]，由PXIe主控制器、顯示器、鍵盤鼠標組成。計算機機箱選用簡儀科技的PXIe?2315PMK機箱，該機箱是一款內置PXIeGen35槽背板和加固機殼的便攜式PXIeGen3機箱，此機箱采用專業(yè)的工業(yè)外觀設計、全鋁鎂合金結構和一體化緊湊型設計，集成15.6″高清工業(yè)顯示屏、工業(yè)電阻觸摸屏、工業(yè)觸摸板、防水硅膠鍵盤和測控電源等，具有高集成、強固、便攜等特點。選用PXIe?63977嵌入式控制器，集成第七代IntelCorei5?7440EQ處理器，240GB固態(tài)硬盤，8GB內存，4個USB2.0，2個USB3.0，1個GPIB控制接口，1個RS232/422/485接口。2.2.2信號采集板卡系統(tǒng)選用16通道18位高精度數(shù)據(jù)采集卡PXIe?5516。該采集卡具有1.25MS/s采樣率，異步采樣方式；支持16路單端模擬輸入，模擬輸入范圍分為7檔：±10V，±5V，±2V，±1V，±0.5V，±0.2V，±0.1V。提供2路12位D/A模擬量輸出通道，使用其中一路模擬量輸出通道用于控制直流電機轉速。24路數(shù)字輸入輸出通道，使用一路數(shù)字量輸出通道用于控制直流電機正向或反向轉動，使用19路數(shù)字輸入通道接收19位并行編碼。2個10MHz的16位多功能計數(shù)通道，用于接收扭矩傳感器的轉速及扭矩頻率信號。軸角編碼器自動檢測設備的信號控制及采集框圖如圖2所示。2.2.3扭矩傳感器選用的扭矩傳感器采用應變橋電測技術，用一組環(huán)形變壓器非接觸提供電源。采用微功耗信號耦合器代替環(huán)形變壓器進行非接觸傳遞信號，有效地克服了電感耦合信號帶來的高次諧波自干擾及能源環(huán)形變壓器對信號環(huán)形變壓器的互干擾。使用時將電機通過聯(lián)軸器帶動扭矩儀轉動，扭矩儀的另一端通過聯(lián)軸器接待測的軸角編碼器。扭矩儀工作時需提供±12V電壓，輸入電壓和輸出信號由扭矩儀上方的方形連接盒前端的圓形連接器連接。扭矩信號選用5~15kHz頻率信號，其中正向轉矩滿量程輸出15kHz，零轉矩頻率輸出10kHz，負向轉矩滿量程輸出5kHz，頻率信號幅值幅度為3.6~5V。輸出的扭矩信號送采集卡PXIe?5516的計數(shù)器端（CNT1），轉換成扭矩數(shù)值送工控機，在軟件界面顯示。扭矩傳感器也輸出轉速信號。該型扭矩傳感器內置安裝1000脈沖/轉的增量式旋轉編碼器。軸旋轉時，旋轉編碼器輸出一組脈沖信號，脈沖信號比例于轉速，計1000脈沖/轉，輸出的轉速脈沖信號為TTL信號。該脈沖信號送采集卡PXIe?5516的計數(shù)器端（CNT2），通過測速算法將其轉換成轉速數(shù)值送工控機，在軟件界面顯示。2.2.4被測軸角編碼器被測軸角編碼器通過聯(lián)軸器與扭矩傳感器相連，直流電機帶動傳動軸轉動，機械角度發(fā)生變化，軸角編碼器通過32芯的插座輸出當前軸角相對應的并行19位數(shù)字編碼。每一位數(shù)字輸出信號需通過1kΩ上拉電阻接5V電源，然后通過線纜直接送入PXIe?5516高精度采集卡。2.2.5PXIe程控電源在主控計算機的控制下產(chǎn)生直流電機及被測軸角編碼器所需的直流電源。其中直流電機所需的直流電壓為6V，1A；軸角編碼器工作電源為5V，1A。

2.3軟件設計

軸角編碼器自動檢測設備采用銳視測控軟件（SeeSharpTools）作為開發(fā)工具[6]。軟件設計采取獨立的結構和模塊化的編程思想，根據(jù)檢測設備的使用要求，軟件的主要功能模塊包括：1）用戶登錄及用戶管理模塊。用戶分為管理者與一般用戶兩類，管理者可作為系統(tǒng)專業(yè)調試人員，具有各測試儀表單獨控制、系統(tǒng)軟硬件調試權限，而一般用戶只能按界面提示進行軸角編碼器的測試。2）系統(tǒng)配置模塊。用戶登錄成功后進入測試系統(tǒng)主界面。在每次打開軟件后都進行端口自檢一次，檢查工控機各端口與儀器儀表連接是否正常，若出現(xiàn)異常，軟件會提示檢查儀器儀表連接線。3）測試模塊。儀器儀表連接正常后，進入測試系統(tǒng)的測試界面，可以調節(jié)直流電機的轉速，選擇軸角編碼器是正向還是反向旋轉。測試人員可以根據(jù)測試需要點擊相應的按鍵執(zhí)行操作。電源及控制信號給定界面如圖3所示。實時采集編碼值的顯示界面如圖4所示，編碼值變化波形如圖5所示。圖5顯示的是功能正常的軸角編碼器的編碼值變化曲線，在5個運轉周期內曲線均為平滑的直線。4）數(shù)據(jù)管理模塊。對測量數(shù)據(jù)進行分析，判定軸角編碼器是否正常，生成檢測報告。

2.4結構設計

為配合被測軸角編碼器、直流電機、扭矩儀的固定安裝，自動檢測設備需設計一個安裝平臺。安裝平臺要求結實耐用，結構緊湊，長寬高不超過1.2m×0.4m×0.9m，調節(jié)搬運方便，并有鎖緊機構進行固定。安裝平臺設計圖如圖6所示。被測軸角編碼器使用L型支架安裝于試驗平臺平面上，易于更換、便于重復測試。軸角編碼器的固定方式如圖7所示。

3結論

本文研制了某指控系統(tǒng)軸角編碼器自動檢測平臺，解決了該軸角編碼器無法脫離系統(tǒng)獨立檢測維修的困難。該檢測平臺自動化程度高、操作簡便、顯示直觀，適合內場對更換下來的軸角編碼器故障件及生產(chǎn)備件進行檢測及修理。使用及推廣該軸角編碼器自動檢測平臺將大大提高軸角編碼器故障件的維修效率。

作者：柳穎 楊洋 單位：中國人民解放軍91114部隊