在航天、**、工业这些对器件的体积有着严格要求的领域, 光电编码器不仅要求减小外径尺寸和重量, 更要提高其测量精度。本文以光电编码器误差补偿方法为研究对象, 基于后验误差拟合方法确定误差模型参数, 从而实现对小型光电编码器的深度误差补偿。分析了影响光电编码器测角误差的主要因素, 建立了长周期误差和短周期误差模型。然后, 采用后验误差拟合算法实现了对误差模型参数的确定, 提出误差补偿算法; 最后, 对某一小型光电编码器进行实验, 验证了所提出误差补偿算法的性能。某型号光电编码器补偿前的精度为22.48″, 补偿后的精度为5.82″。实验表明, 采用后验误差补偿方法可以不考虑误差影响因素的大小, 直接对编码器进行误差补偿, 具有效率高、补偿准确等优点, 极大地提高了批量生产时光电编码器产品的精度。

增量式光电编码器输出信号的正交性和均匀性是其重要技术指标之一, 对增量式光电编码器的精度检测是编码器研制和生产过程中的重要环节。传统信号质量的检测是基于时间位置进行检测的, 其检测准确度受转速均匀度影响, 在高速、变速转动下对增量式光电编码器的动态性能检测并不准确。提出了一种基于空间位置的信号质量检测方法, 并设计了相应的检测系统。检测系统采用直流无刷电机带动高精度角脉冲发生器和被检增量式编码器同轴旋转, 并采集高精度角脉冲发生器在被检增量式编码器输出信号边沿时刻的数值, 进行误差计算。该检测系统极大地减小了由于转速不均匀造成的测量不准确度。运用该检测系统对输出脉冲周期数为32 400的增量式编码器进行检测, 并与时间位置检测法进行对比实验。实验结果表明: 该检测系统检测结果不受电机转速变化的影响, 可有效地提高检测精度及检测效率, 能够实现动态检测。该系统的研制为批量生产增量式光电编码器提供了极大的便捷。

红外发光管是光电编码器的重要组成部分, 而光源参数对莫尔条纹信号的正弦性和正交性有直接影响, 从而影响光电编码器的细分精度和分辨力。文中研究了其发散角、光源宽度对编码器的信号影响。首先, 分析了光源对光栅信号光通量的影响, 运用频域方法导出了透光特性函数; 然后, 分析了两种不同光源对同一码盘形成信号的影响; 最后, 应用Matlab仿真计算了莫尔条纹信号的对比度、正交性、正弦性。实验结果表明, 使用两种不同光源的编码器精度相差达到30%, 改进后的编码器高次谐波占比明显减少, 信号稳定性好。因此研究光源参数对提取高质量莫尔条纹有重要意义, 并为高精度编码器设计提供重要参考依据。

由于光电编码器动态检测转台的分辨率、精度和转速都比较高, 传统检测手段很难精确标定该类转台的动态精度, 故本文开展了转台动态精度标定方法的研究。首先, 分析动态转台工作原理, 指出了影响转台动态精度的主要因素。然后, 研究了动态误差的主要特性, 提出了一种基于动态重复性的转台动态精度标定方法。最后, 设计了FPGA+USB的数据采集电路, 实现了对转台动态精度的标定。对自行研制的转台进行了动态精度标定。标定结果显示: 提出的动态精度标定方法能够实现对转台的标定, 验证了该转台能够实现对被检编码器的动态检测, 解决了研制动态转台时缺少动态检测精度标定方法的难题。

在批量生产光电编码器时, 对光电编码器是否存在误码进行检测是一个重要的环节。现有的检测方法采用二进制灯排手动转动编码器用肉眼进行观测, 存在手动检测慢、肉眼观测误差较大、检测结果受转动速度影响等缺点。在大批量生产的光电编码器, 采用传统方法进行误码检测费时费力。为解决编码器生产及使用过程中对光电编码器的自动误差检测, 本文设计了小型光电编码器误码自动检测系统。首先, 在参照大量光电编码器生产经验的基础上, 分析了编码器误码产生的主要原因; 然后, 提出了基于微分算法实现对光电编码器是否存在误码进行判断的误码自动检测方法; 最后, 以FPGA为主控芯片, 设计了小型光电编码器自动误码检测系统。该系统能够实现对光电编码器的高速数据采集、数据处理与误码判断, 并将误码判断结果通过LCD液晶显示。同时, 可以根据需要将数据传输到计算机中作进一步分析。检测实验表明: 本文所设计的误码检测系统成功实现了对15位串/并口光电编码器在高速和低速下进行数据采集及误码判断。系统可用于批量生产下光电编码器的误码自动检测, 减少了人工操作, 提高了自动化程度。系统具有智能便捷, 移动性强, 适用于实验室及各种工作场合下的误码检测等优点, 检测速度较以往检测方法提高了3～5倍。

为了保证高精度光电编码器在恶劣工作环境下的精确测量，建立一种基于高分辨力数字电位计+DSP+CPLD的莫尔条纹光电信号自动补偿系统。首先，介绍了自动补偿系统的工作原理及构成，并设计了系统使用过程中的工作模式；融合莫尔条纹信号各个偏差的补偿算法，建立了光电信号细分误差的综合补偿模型；然后，具体阐述了系统的硬件设计、相关软件设计，并分析了补偿系统自身存在的系统误差；最后，以24位光电编码器为实验对象，对该补偿系统进行测试分析，实验结果表明：自动补偿系统可实现编码器精码信号直流电平漂移、等幅性偏差、正交性偏差及二次、三次、五次谐波偏差的综合补偿，可使实际的静态细分误差减小0.61″。该系统可用在编码器的工作现场，实现莫尔条纹信号细分误差的自动修正。

为了提高编码器的测速精度, 研究了基于希尔伯特-黄变换的光电编码器单莫尔条纹测速方法。首先, 利用AD采集编码器的单路莫尔条纹光电信号, 并将信号序列通过EMD变换, 滤除直流分量; 然后, 利用希尔伯特变换求出信号的相位变化, 并通过差分运算求取信号的瞬时频率; 最后, 结合编码器的具体参数求取编码器的转速。实验结果表明：对某21位编码器进行测速实验, 测速误差均方差由0022 4 rad/s降低到0013 4 rad/s。此方法测速稳定性高, 抗干扰能力强, 可用于速度精度要求较高的测速场合。

在编码器动态特性检测中, 角度基准的快速反应和精度直接影响着动态特性检测装置的准确性。为实现角度基准的快速响应, 提高基准编码器的测角精度, 本文设计了高精度快速细分角度基准编码器。首先, 通过对目前角度基准不足对编码器动态特性检测影响的分析, 得出动态检测精度主要受基准编码器的数据处理延时影响。其次, 通过对基准编码器结构、细分电路、处理电路等的设计, 完成了23位高实时性角度基准编码器的制作。最后, 为提高检测精度, 利用RBF神经网络对角度基准进行误差补偿。所设计的角度基准编码器分辨率达到0.15″, 并且可以在10 r/s速度时, 保证逐分辨率输出。经过测量, 补偿前基准编码器的精度为1.30″, 补偿后的基准编码器误差峰峰值不超过2.5″, 精度优于0.6″。高精度、高实时性角度基准编码器的研制, 提高了编码器动态特性检测系统的检测精度, 为研究编码器动态特性提供了基础。

为了提高光电编码器动态检测技术的稳速精度, 设计了基于永磁无刷直流电机的转台驱动系统。分析了动态检测转台工作时速度波动对编码器角度误差的影响; 结合空间矢量法建立无刷电机三相绕组的力矩合成模型, 使合成力矩在空间内任意位置幅值相同; 最后加入PI控制器, 并利用DSP+CPLD设计了驱动电路, 以保证电机匀速转动, 并可模拟编码器在实际应用中的各种转动方式。实验结果表明: 设计的编码器动态检测转台驱动系统在高、低速转动时都能保持恒定的转矩输出, 系统稳速精度高, 稳态误差小于±1 (°)/s。另外, 转台驱动系统转动稳定, 有效降低了速度波动对编码器误差检测的影响, 满足光电编码器动态检测的要求。