电子编码器误差分析及补偿

李德良

（广州华海电子科技有限公司，广东广州，510700）

1 电子编码器

本文就以依靠容栅科技规划的双能道、高精确性、高辨别率的角位置编码设备为探究对象。其主要由同轴设置的2个定圆盘与1个正弦外形的转子构成，2个定圆盘上都刻了面积、形状一样的栅形发射电机与接收电极。转子运行环节，出现了在时空方面调制的电场，基于定圆盘中电子线路的处置调制为随角度改变的幅值一样相位差为90°的正余弦信号，其传输电压分别以式（1）、（2）代表。

其中，θ表示转子运行的角度；U表示调制传输电压的最高幅值；按照正余弦信息的幅值与相位关系就能计算出转子部位。

2 偏差分析与补偿办法

电子编码器传输的角位置信号偏差是由制造方法偏差与调制信息的电子线路出现的周期性偏差组成。制造方法造成的偏差具体表现出电子编码器粗精通路的机械零位未对应而造成的机械偏移角偏差；周期性偏差是由正余弦信号不好造成的谐波偏差构成[1]。二次谐波偏差重点由正余弦信息幅值不同造成，但是电子编码器中的硬件线路基本良好的幅值匹配作用能够防止该偏差的出现。二次谐波偏差是因为编码器中电场变动、失真导致的，但是因为该偏差对计算精度的干扰较小，一般能够忽视不计。本文着重对角度计算精度有严重干扰的一次谐波偏差与粗精通路的机械偏移角偏差展开分析，且探究了在系统上补偿这两种偏差的办法。

2.1 偏移电压偏差

一次谐波偏差是因为电子编码器安装轴偏心引起的。尽管电子编码器现有输出信息的一次谐波属于mV级的，但是如果不补偿它们将严重影响角度的计算精度[2]。精通路的一次谐波偏差将干扰传输角度的精度，但粗通路的一次谐波偏差将干扰初始绝对部位值获得的稳定性。对一次谐波偏差的补偿尽量在电子编码器传输的正余弦信号信息化完成之后处理，由于这样能够把后期信号处置线路内的微分放大器与A/D转换设备的潜在干扰也考虑到。

如果电子编码器传输的正余弦信号无偏移电压偏差时，Usin与Ucos的关系为：

其中，U表示电子编码器传输正余弦信息的模值；K表示放大设备的扩大倍数。正余弦电压和被测的转动角θ之间的联系是：

图1 正余弦信号没有偏移电压偏差时的李萨如图示意图

其是一个以θ为系数的圆，当θ改变时Usin与Ucos改变轨迹绘制出的李萨茹图见图2，是以O为圆心，以KU为半径的圆。

图2 正余弦信号存在偏移电压偏差时的李萨茹图

转子运动过的角度θ通过式（5）获得，即：

如果电子编码器传输的正余弦型号存在偏移电压偏差时，Usin、Ucos 变成 Usinδ、Ucosδ，见（6）式。

其中δUsin0与δUcos分别代表Usin与Ucos零点输出值，见图3所示，这时图1的O点移至（δUsin0，δUcos0），此时θ从（5）变成：

所以通过偏移电压造成的角度测量偏差δθ是：

通过上述分析得知，只需就得δUsin0与δUcos0，就能够修正与补偿Usin-与Ucos0，进而令由偏移电压造成的角度测量偏差δθ是0。

本文选择了求均值的办法来运算偏移值，而且用求方差的方式来矫正二次谐波。在严格根据安装标准设置好点子编码器后，让设备以特定速度运速运动1周，以恒定的取样率持续取样电子编码器传输的电压参数，且记下收集到的最高值与最低值，再求出其平均值用作偏移值，把测出的电压值减掉偏移值就是补偿后的参数。

2.2 机械偏移角偏差

理想条件下，设备粗精通路的机械零位相相同，但因为电子编码器加工工业与机械设置造成的偏差将令粗精通路的机械零位未对象，进而引起了机械偏移角偏差。

电子编码器通电时传输的初始机械角部位值mAngle通过式（7）获得 ：

其中，精通路的索引值flnd通过式5）得到：

其中，CECR、fCER代表粗精通路的电角度周期量；cAngle、fAngle表示粗精通路的电角度参数。通过式（9）、式（10）得知，当CECR、fCER已知时，粗通路的电角度参数cAngle确定了flnd，进而干扰电子编码器mAngle的获取。

如图3所示，当精通路机械部位值是0时，粗通路机械部位值是CAA/，这时相应的粗通路的良好电角度参数是CAA。A、B两点相应的精通路电角度参数分别是A/、B/，通过式（9）得知，在A、B两点通电时的mAngleA与mAngleB分别是：

图3 粗精通路零位偏差图

因为有粗精通路零位偏差，奖产生A、B两个地方的电角度参数所决定的flndA与flndB一样，且A/、B/之中的电角度参数通过了一个精通路周期调换的情况产生。在这种状况下，由式8）得知，A、B两点相应的相应的初始机械角部位值都取决于精通路的电角度参数A/、B/，而精通路的电角度参数A/、B/改变很大，因此在很小的角度区域内通过A/与B/，两点所决定的初始机械角部位值将有大角度的调整、运算错误等情况的产生。所以，粗精通路的零位偏差将影响通电时初始绝对部位值获得的稳定性。

为了让粗精通路的机械零位相同，就要求对粗通路的电角度参数补加一个电角度参数CAA进而除去粗精通路的零位偏差[3]。与一次谐波偏差的补偿办法类似，在特定时间间隔持续取样电子编码器传输的电压值且运算粗精通路的机械部位值mAnglef、mAnglec，再将粗精通路的机械部位值不同参数的平均值用作CAA/的值。

补偿之后粗通路的电角度参数cAngle是：

其中，mCrAngle表示粗通路的测量数据。

3 应用分析

文章分析的电子编码器偏差与补偿方法在某工程的伺服平台中获得了良好的使用。型号是ERO 1400的产品粗精比是32:1；精度低于0.01°，其传输的正余弦信号通过独立电源运转OPA376扩大后送进DSP，扩大后的正余弦信号基于DSP之中A/D转换器信息化后经过SPI接口被送到接口系统LTC2850内。在LTC2850内信息化的正余弦信号基于电平调换后由差分方式送出。上位机基于USB转变RS-485转换设备收集正余弦信息后完成偏差修正与补偿，且把修正与补偿值送进DSP内便于在角度计算时使用。

在具体的伺服平台上，以特定的速度转动转轴，基于ERO 1400型号的产品解码软件与海德汉29位高精准角度编码设备RCN8380的解码软件对转轴部位同步展开检测且记下所测角位置信息[4]。基于RCN8380解码软件测得的值与为理想值来测试与检验ERO 1400产品的解码软件偏差与补偿方法的高效性及稳定性。通过研究发现，基于电子编码器解码软件偏差修正与补偿的角度参数的一次谐波获得了良好修正与补偿，精度也获得明显提升，基本维持在±0.01°范围以内。

转轴运动环节使之在随机部位停止转动，给电子编码器解码软件通电，这时记录已经实施过偏差修正与补偿的设备解码软件传输的初始机械角部位值，让电子编码器解码软件继电，接着小角度的运动转轴至某一部位然后给电子编码器解码软件通电，且记下这时的初始机械角部位值。在随机部位反复检测后得知，电子编码器解码软件在两次通电时的初始机械角部位值改变平缓，未产生大角度的变化，由此能够发现粗精通路的零位偏差也获得了修正与补偿。

4 结论

文章着重对电子编码器一次谐波偏差与粗精通路机械偏移角偏差分析了偏差补偿与修正的办法。实验结果显示：通过偏差补偿与修正的设备解码软件的精度与初始机械角部位值求得的准确度均获得了明显的提升，精度从±0.02°上升了±0.01°范围以内，在设备小角度改变时每次通电的初始部位值没有大角度的变动。文章分析的偏差与补偿方法能够有效用在其他存在电子编码设备的角位置检测工作中。