導(dǎo)語(yǔ)：軸角編碼器自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

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(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)變成一個(gè)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)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(dòng)檢測(cè)平臺(tái)的需求。檢測(cè)平臺(tái)基于PXIe總線架構(gòu)，選用多功能多路信號(hào)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(shí)的轉(zhuǎn)速及扭矩信號(hào)；選用程控電源模塊提供檢測(cè)平臺(tái)所需的供電電源。運(yùn)用開源測(cè)試軟件SeeSharpTools開發(fā)檢測(cè)平臺(tái)應(yīng)用軟件。具備模擬軸角編碼器實(shí)際工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)動(dòng)軸扭矩、轉(zhuǎn)速值，采集編碼器旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的編碼值并顯示，并具有測(cè)試結(jié)果分析及打印測(cè)試報(bào)告的功能。使用L支架結(jié)構(gòu)安裝軸角編碼器，滿足檢測(cè)過(guò)程中頻繁更換被測(cè)件的需求，極大提高了該軸角編碼器的檢測(cè)效率。

關(guān)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(hào)采集卡；SeeSharpTools

軸角編碼器主要用于運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)中測(cè)量角度位置，是一種把轉(zhuǎn)子的角信息轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)的傳感器[1]，其具有精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。在某指控系統(tǒng)中軸角編碼器得到了廣泛的應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼。軸角編碼器內(nèi)部是一個(gè)有絕緣層和導(dǎo)電層的滾輪，其導(dǎo)電層上通有5V脈沖電壓，電刷在滾輪上滑動(dòng)時(shí)，分別會(huì)接觸到絕緣層和導(dǎo)電層，接觸到絕緣層時(shí)電刷輸出“0”，接觸到導(dǎo)電層時(shí)電刷輸出“1”。滾輪在不同的角度時(shí)，電刷上就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的不同編碼。由于軸角編碼器工作時(shí)存在機(jī)械磨損，因而使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)電刷接觸不良現(xiàn)象，導(dǎo)致軸角編碼器輸出錯(cuò)誤編碼，引起指控系統(tǒng)發(fā)生接收雷達(dá)、聲納等外部信息源數(shù)據(jù)誤差大、魚雷發(fā)射時(shí)無(wú)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(dòng)檢測(cè)設(shè)備的需求。

1軸角編碼器在某指控系統(tǒng)中的運(yùn)用

軸角編碼器通過(guò)機(jī)械輸入軸與外部機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合，轉(zhuǎn)動(dòng)輸入軸，機(jī)械角度發(fā)生變化；編碼器便通過(guò)32芯的插座，輸出當(dāng)前軸角相對(duì)應(yīng)的并行數(shù)字編碼。一個(gè)軸角編碼器共有19個(gè)電刷，實(shí)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(guò)相關(guān)電路進(jìn)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(wú)權(quán)碼，其編碼特點(diǎn)是任意兩相鄰代碼間只有一位數(shù)碼不同，這對(duì)數(shù)碼的傳輸有很大的幫助，因?yàn)樗蟠鬁p少了由一個(gè)狀態(tài)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)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(cuò)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(shuō)明：假設(shè)軸角編碼器輸出的編碼為：0101010101010011011（從高到低），則根據(jù)表1的轉(zhuǎn)換公式可解碼得到輸出為0101010010010（X13~X1）。將13位二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，則數(shù)值范圍為0~8191。當(dāng)軸角編碼器正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度從0°~360°變化，十進(jìn)制數(shù)值從0開始，逐漸增大至8191；當(dāng)軸角編碼器反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度從360°~0°變化，十進(jìn)制數(shù)值從8191逐漸減小至0。如果出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的跳碼或編碼值無(wú)變化，說(shuō)明軸角編碼器已經(jīng)損壞。

2軸角編碼器自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器（VirtualInstrument，VI）已經(jīng)成為測(cè)控技術(shù)的主流技術(shù)[2]。1997年推出的PXI總線技術(shù)，綜合了PCI、VXI總線和GPIB總線的優(yōu)點(diǎn)，迅速應(yīng)用于各領(lǐng)域的測(cè)試、診斷平臺(tái)技術(shù)[3]。而PXIExpress總線[4]（PXIe）作為PXI總線的擴(kuò)展，具有高數(shù)據(jù)吞吐量、模塊化集成等關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)。軸角編碼器自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)采用PXIe架構(gòu)設(shè)計(jì)，具有5個(gè)PXIe槽位。主要系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下功能：1）模擬軸角編碼器的實(shí)際工作狀態(tài)；2）實(shí)時(shí)顯示扭矩、轉(zhuǎn)速值；3）軸角編碼器正轉(zhuǎn)一個(gè)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(zhuǎn)一個(gè)循環(huán)：顯示數(shù)據(jù)按減1的規(guī)律從8191~0變化；5）自動(dòng)記錄編碼值數(shù)據(jù)，生成檢測(cè)報(bào)告；6）輸出電源檢查：2路0~48V可調(diào)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(dòng)檢測(cè)設(shè)備由工控機(jī)、試驗(yàn)臺(tái)架、直流電機(jī)、被測(cè)軸角編碼器、扭矩傳感器組成。直流電機(jī)作為軸角編碼器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)軸角編碼器旋轉(zhuǎn)。扭矩傳感器安裝于試驗(yàn)臺(tái)架的傳動(dòng)軸上。扭矩傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)送至工控機(jī)內(nèi)的信號(hào)采集板卡，經(jīng)軟件轉(zhuǎn)換后，顯示轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速值。軸角編碼器輸出的編碼信號(hào)送至工控機(jī)內(nèi)的數(shù)字信號(hào)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(jī)內(nèi)的程控電源模塊為直流電機(jī)、被測(cè)軸角編碼器提供電源；開關(guān)電源為檢測(cè)設(shè)備中的扭矩傳感器提供工作電源。該測(cè)試系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程在PXIe機(jī)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(shè)計(jì)

2.2.1主控計(jì)算機(jī)主控計(jì)算機(jī)是整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的核心[5]，由PXIe主控制器、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)組成。計(jì)算機(jī)機(jī)箱選用簡(jiǎn)儀科技的PXIe?2315PMK機(jī)箱，該機(jī)箱是一款內(nèi)置PXIeGen35槽背板和加固機(jī)殼的便攜式PXIeGen3機(jī)箱，此機(jī)箱采用專業(yè)的工業(yè)外觀設(shè)計(jì)、全鋁鎂合金結(jié)構(gòu)和一體化緊湊型設(shè)計(jì)，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(cè)控電源等，具有高集成、強(qiáng)固、便攜等特點(diǎn)。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(nèi)存，4個(gè)USB2.0，2個(gè)USB3.0，1個(gè)GPIB控制接口，1個(gè)RS232/422/485接口。2.2.2信號(hào)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(jī)轉(zhuǎn)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(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使用19路數(shù)字輸入通道接收19位并行編碼。2個(gè)10MHz的16位多功能計(jì)數(shù)通道，用于接收扭矩傳感器的轉(zhuǎn)速及扭矩頻率信號(hào)。軸角編碼器自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)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(yīng)變橋電測(cè)技術(shù)，用一組環(huán)形變壓器非接觸提供電源。采用微功耗信號(hào)耦合器代替環(huán)形變壓器進(jìn)行非接觸傳遞信號(hào)，有效地克服了電感耦合信號(hào)帶來(lái)的高次諧波自干擾及能源環(huán)形變壓器對(duì)信號(hào)環(huán)形變壓器的互干擾。使用時(shí)將電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)扭矩儀轉(zhuǎn)動(dòng)，扭矩儀的另一端通過(guò)聯(lián)軸器接待測(cè)的軸角編碼器。扭矩儀工作時(shí)需提供±12V電壓，輸入電壓和輸出信號(hào)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(hào)選用5~15kHz頻率信號(hào)，其中正向轉(zhuǎn)矩滿量程輸出15kHz，零轉(zhuǎn)矩頻率輸出10kHz，負(fù)向轉(zhuǎn)矩滿量程輸出5kHz，頻率信號(hào)幅值幅度為3.6~5V。輸出的扭矩信號(hào)送采集卡PXIe?5516的計(jì)數(shù)器端（CNT1），轉(zhuǎn)換成扭矩?cái)?shù)值送工控機(jī)，在軟件界面顯示。扭矩傳感器也輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)。該型扭矩傳感器內(nèi)置安裝1000脈沖/轉(zhuǎn)的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出一組脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)比例于轉(zhuǎn)速，計(jì)1000脈沖/轉(zhuǎn)，輸出的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)為TTL信號(hào)。該脈沖信號(hào)送采集卡PXIe?5516的計(jì)數(shù)器端（CNT2），通過(guò)測(cè)速算法將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速數(shù)值送工控機(jī)，在軟件界面顯示。2.2.4被測(cè)軸角編碼器被測(cè)軸角編碼器通過(guò)聯(lián)軸器與扭矩傳感器相連，直流電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械角度發(fā)生變化，軸角編碼器通過(guò)32芯的插座輸出當(dāng)前軸角相對(duì)應(yīng)的并行19位數(shù)字編碼。每一位數(shù)字輸出信號(hào)需通過(guò)1kΩ上拉電阻接5V電源，然后通過(guò)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(jì)算機(jī)的控制下產(chǎn)生直流電機(jī)及被測(cè)軸角編碼器所需的直流電源。其中直流電機(jī)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(shè)計(jì)

軸角編碼器自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備采用銳視測(cè)控軟件（SeeSharpTools）作為開發(fā)工具[6]。軟件設(shè)計(jì)采取獨(dú)立的結(jié)構(gòu)和模塊化的編程思想，根據(jù)檢測(cè)設(shè)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(diào)試人員，具有各測(cè)試儀表單獨(dú)控制、系統(tǒng)軟硬件調(diào)試權(quán)限，而一般用戶只能按界面提示進(jìn)行軸角編碼器的測(cè)試。2）系統(tǒng)配置模塊。用戶登錄成功后進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)主界面。在每次打開軟件后都進(jìn)行端口自檢一次，檢查工控機(jī)各端口與儀器儀表連接是否正常，若出現(xiàn)異常，軟件會(huì)提示檢查儀器儀表連接線。3）測(cè)試模塊。儀器儀表連接正常后，進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試界面，可以調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，選擇軸角編碼器是正向還是反向旋轉(zhuǎn)。測(cè)試人員可以根據(jù)測(cè)試需要點(diǎn)擊相應(yīng)的按鍵執(zhí)行操作。電源及控制信號(hào)給定界面如圖3所示。實(shí)時(shí)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(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)曲線均為平滑的直線。4）數(shù)據(jù)管理模塊。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定軸角編碼器是否正常，生成檢測(cè)報(bào)告。

2.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為配合被測(cè)軸角編碼器、直流電機(jī)、扭矩儀的固定安裝，自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備需設(shè)計(jì)一個(gè)安裝平臺(tái)。安裝平臺(tái)要求結(jié)實(shí)耐用，結(jié)構(gòu)緊湊，長(zhǎng)寬高不超過(guò)1.2m×0.4m×0.9m，調(diào)節(jié)搬運(yùn)方便，并有鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定。安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)圖如圖6所示。被測(cè)軸角編碼器使用L型支架安裝于試驗(yàn)平臺(tái)平面上，易于更換、便于重復(fù)測(cè)試。軸角編碼器的固定方式如圖7所示。

3結(jié)論

本文研制了某指控系統(tǒng)軸角編碼器自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)，解決了該軸角編碼器無(wú)法脫離系統(tǒng)獨(dú)立檢測(cè)維修的困難。該檢測(cè)平臺(tái)自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便、顯示直觀，適合內(nèi)場(chǎng)對(duì)更換下來(lái)的軸角編碼器故障件及生產(chǎn)備件進(jìn)行檢測(cè)及修理。使用及推廣該軸角編碼器自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)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(guó)人民解放軍91114部隊(duì)