一种模块化反射式光电编码器原理验证装置及验证方法与流程

本发明属于角位移传感器，涉及一种模块化反射式光电编码器原理验证装置及验证方法。

背景技术：

1、光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化角度位移测量装置，具有测量精度高、体积小、质量轻等优点，广泛应用于精密加工、卫星通信、航空航天等领域。随着前述领域高端制造装备对运动控制精度要求的不断提高，光电编码器作为位置反馈的核心传感器，其测角精度的提升需求日益迫切，研发迭代速度也随之加快。光电编码器产品的研发涉及光电探测芯片的选型、信号处理电路设计、码盘设计与加工、精密装配等多个技术环节，各环节之间相互耦合、相互制约，难以在产品研发前期对设计方案进行全面、系统的验证。

2、目前，在光电编码器测试与验证领域，大多采用对已装配完的成品编码器进行测角误差检测。例如，将多面棱体与装配完成的编码器进行同轴连接，配合精密转台与光电自准直仪得到角度真值，再将其与编码器测量结果进行比较，从而得到性能验证结论。此类方法的检测对象为已装配完成的成品光电编码器，因此，无法在研发的早期阶段对码盘设计、电路原理和芯片选型等底层方案进行独立验证与迭代优化。从编码器测角精度分析的角度来看，光电编码器的测角误差来源主要有：光机结构误差、码盘加工误差、处理电路误差等。实际上，不论栅线不均匀、基材不平整等码盘加工误差，亦或者光源波动噪声、电路热噪声等处理电路误差，最终都会反应在精码正、余弦信号质量（如直流偏置、信号幅度、相位差以及信号噪声水平）上。

3、综上所述，目前尚未存在一种能够在设计初期阶段，将码盘加工验证、电路原理验证、光电编码器芯片选型验证涵盖在内，并基于精码信号质量参数对最终测角精度进行预测的综合性原理验证装置。此类平台将精度验证节点前置，降低了产品研发过程对整机装配与精密基准的依赖，从而降低了产品迭代的经济成本与时间成本，提升了光电编码器产品研发的工程实施效率。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种模块化反射式光电编码器原理验证装置及验证方法，打破了传统误差检测对装配成品整机的依赖，在产品研发初期即可对芯片选型、处理电路及码盘加工等底层分系统方案进行独立解耦验证与迭代优化，并能够基于精码信号质量预测测角误差的性能上限，显著缩短了研发周期并降低了试错成本。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、第一方面本发明提供了一种模块化反射式光电编码器原理验证装置，包括：

4、电路验证模块，包括位移调节机构以及用于搭载光电编码器芯片的芯片搭载组件；所述芯片搭载组件与所述位移调节机构连接；

5、码盘验证模块，与所述电路验证模块相互独立设置，包括旋转驱动机构以及用于承载码盘的码盘承载组件；所述码盘承载组件具有调节所述码盘安装偏心的微调结构；

6、所述位移调节机构用于调节所述光电编码器芯片与所述码盘之间的空间相对位置关系；

7、信号处理模块，与所述电路验证模块通信连接，用于采集所述光电编码器芯片输出的信号，并基于所述信号的参数估计结果输出测角误差预测结果。

8、优选的，所述位移调节机构包括三坐标精密位移台；所述三坐标精密位移台沿z方向移动以控制所述光电编码器芯片与所述码盘上表面的气隙，沿x、y方向移动以控制所述光电编码器芯片中心与所述码盘码道的精确对位；

9、所述电路验证模块与所述码盘验证模块共同安装于同一导轨上；所述三坐标精密位移台通过位移台滑块滑动设置于所述导轨上；所述旋转驱动机构通过电机滑块滑动设置于所述导轨上，以实现所述光电编码器芯片与所述码盘在空间位置上的粗调接近。

10、优选的，所述芯片搭载组件包括芯片评估板和电路板支架；所述芯片评估板用于搭载所述光电编码器芯片并引出输出信号；所述电路板支架用于连接所述芯片评估板与所述三坐标精密位移台，且所述电路板支架与所述芯片评估板之间设有厚度补偿件，以调节所述光电编码器芯片所在区域的平面度。

11、优选的，所述码盘承载组件包括码盘底座、码盘底座支撑座和码盘压板；所述旋转驱动机构包括电机，所述电机的电机转轴与所述码盘底座支撑座连接；所述码盘底座通过紧固件连接于所述码盘底座支撑座上；所述码盘设置于所述码盘底座上方，并通过所述码盘压板压紧固定。

12、优选的，所述微调结构体现在：所述码盘在未被所述码盘压板完全锁紧前，具有控制码盘径跳、消除偏心的水平微调余量；所述码盘底座的上、下表面为可研磨加工表面，用于控制承载所述码盘时的端跳误差。

13、第二方面本发明提供了一种基于模块化反射式光电编码器原理验证装置的反射式光电编码器原理验证方法，包括以下步骤：

14、装配与空间位置调节步骤： 调节所述电路验证模块中所述芯片搭载组件的平面度；组装所述码盘验证模块，并控制所述码盘的端跳与径跳；调节所述位移调节机构，以控制所述光电编码器芯片与所述码盘之间的气隙及码道对位关系；

15、信号采集与图形拟合步骤： 采集所述光电编码器芯片输出的精码正、余弦信号，并将采集到的精码正、余弦信号按照信号周期进行分包处理；对单周期内的精码正、余弦信号李萨如图形进行最小二乘拟合，得到图形方程参数估计结果；

16、参数映射步骤： 将所述图形方程参数估计结果映射为精码正、余弦信号的核心参数估计结果；

17、模拟构造与误差预测步骤： 根据所述精码正、余弦信号的核心参数估计结果，构造对应的模拟正、余弦信号；利用所述模拟正、余弦信号进行细分角度估计，并与角度真值进行对比，输出当前装配条件下的测角误差预测结果。

18、优选的，在所述信号采集与图形拟合步骤中：

19、提取单包正、余弦信号的李萨如图形，其表达式如下：

20、；

21、其中，分别为精码通道采集到的第i个采样点的正弦信号和余弦信号的离散采样序列值；分别为精码正弦信号和余弦信号的信号幅值；分别为精码正弦信号和余弦信号的初始相位，分别为正弦通道和余弦通道的直流偏置，假设其在统计学上服从特定均值的正态高斯分布；

22、将所述李萨如图形表达式拟合为一般椭圆表达式，如下式所示：

23、；

24、其中，均为一般椭圆方程的图形参数；

25、通过最小二乘法计算得到所述一般椭圆方程的各项系数估计结果，进一步解析得到李萨如图形的物理特征参数估计结果；所述物理特征参数估计结果包括椭圆长轴、椭圆短轴、中心坐标以及拟合残差。

26、优选的，在所述参数映射步骤中，所述精码正、余弦信号的核心参数估计结果具体包括：精码正弦信号幅度、精码余弦信号幅度、相位差以及直流偏置；依据以下代数映射公式完成转化：

27、正、余弦信号幅度估计公式为：

28、，

29、；

30、其中，分别为通过李萨如图形在坐标轴上的横、纵坐标范围映射计算出的正、余弦信号幅度估计值；

31、正、余弦信号相位差估计公式为：；

32、其中，为正、余弦信号之间的相位差估计值；为横轴截距；

33、直流偏置估计公式为：，；

34、其中，为通过椭圆中心坐标映射得到的正弦信号与余弦信号的直流偏置估计值；

35、优选的，在所述模拟构造与误差预测步骤中，构造模拟正、余弦信号具体包括：

36、根据所述精码正弦信号参数估计结果，引入标准差为σ的高斯分布表征系统噪声，构造如下式所示的模拟正弦信号：

37、；

38、根据所述精码余弦信号参数估计结果，引入标准差为σ的高斯分布表征系统噪声，构造如下式所示的模拟余弦信号：；

39、其中，，分别为模拟正弦信号序列和模拟余弦信号序列；为长度为

n的离散相位序列，为正、余弦信号之间的相位差估计值，，在构造模拟信号时引入的随机变量。

40、优选的，在所述模拟构造与误差预测步骤中，计算测角误差预测结果具体包括：对构造完成的所述模拟正、余弦信号的李萨如图形进行最小二乘拟合，得到残差均方根，如下式所示：

41、；

42、根据下式计算相位估计值：

43、；

44、计算相位估计误差最大值并除以所述码盘的刻线数，作为角度估计误差预测值，如下式所示：；

45、其中，为迭代过程中的残差限差或误差累加项，为码盘的理论刻线数，为对应的理论基准相位序列，为离散相位估计值序列。

46、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

47、本发明通过电路验证模块中的芯片搭载组件与位移调节机构，实现了光电编码器芯片在自由空间中的独立安装与六自由度位姿调节，能够在不依赖完整编码器整机装配的条件下，对光电编码器芯片及其外围电路方案进行独立验证与迭代优化；通过码盘验证模块中独立于电路验证模块的旋转驱动机构及具有微调结构的码盘承载组件，实现了码盘与芯片的空间解耦安装，并结合端跳与径跳的独立调节，能够在产品研发初期对码盘加工质量与安装工艺进行单独评估与优化；通过位移调节机构精确控制光电编码器芯片与码盘之间的气隙及码道对位关系，能够有效消除因芯片安装倾斜、码盘偏心及轴向窜动引入的信号畸变，从硬件层面保证精码正、余弦信号的质量；通过信号处理模块对芯片输出的精码正、余弦信号进行采集并基于信号参数估计结果输出测角误差预测，实现了从精码信号质量参数到测角精度的量化映射，使得研发人员在原理验证阶段即可综合评估当前芯片、码盘及电路组合下的性能上限，从而前置精度验证节点，降低了产品研发过程对整机装配与精密基准的依赖，显著降低了迭代的经济成本与时间成本，提升了光电编码器产品研发的工程实施效率，可广泛应用于各类反射式光电编码器产品的快速研发与性能评估中。