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在旋转定位台中的准确角度定位

作者:雷速体育  来源:雷速体育  时间:2020-08-12 18:01  点击:

  在包括光学、生命科学、微电子和机器人等许多领域,的角定位都极其重要。虽然现有各种类型的数字编码器在价格、性能和形状因子上可选择的范围宽广,但是,对较小形状因子和较低整体成本的更高分辨率光学编码器却存在日益增长的需求。为了满足如X-Y轴和旋转定位台这样的工业应用,在反馈器件市场中这些编码器正受到关注。

  只要需要的角定位或受控的旋转,就需要旋转台(Rotary stage)。旋转台可以由手工操作或利用对速度和位置的伺服控制由电机驱动。图1所示为一种典型的电机驱动的旋转定位台的构成。

  图1中的旋转台由固定的基座、主轴承、驱动机构、旋转陀螺和位置反馈器件构成。在这个例子中,主轴承是支撑旋转上壳的高、低摩擦球型轴承。

  旋转上壳由控制旋转速度和上壳角位置的驱动机构来激励。驱动机构由蜗轮(worm wheel)和蜗杆(worm gear)构成,其中,蜗杆直接与电机的轴耦合。电机配备有高分辨率高速光学编码器以向控制电子系统提供速度、方向和相对位置反馈信息。

  一般来说,小型电机以高旋转速度工作且提供低转矩。把蜗杆与蜗轮结合起来可以在单次步进中让电机的降速。例如,一个单头蜗杆与一个 100齿的蜗轮相结合,将获得100rpm的低转矩电机输出并以大约为100倍的转矩提供1rpm的旋转速度。蜗杆本身完全呈螺旋结构,被固定在轴承上旋转,其螺纹与蜗轮的齿啮合;蜗轮基本上呈碟型,部分螺纹围绕其周围旋转。

  受控旋转的蜗杆驱动器使蜗轮做的角旋转。蜗杆与蜗轮是配对的装置,并且对于的应用要预加载以消除齿轮齿隙。这类驱动可能提供诸如 45:1、90:1、100:1或180:1的减速比及在全360度范围内的连续角定位。标准分辨率范围从2弧分小到0.2弧秒。注意:1度=1/360 的圆周;1弧分(arcmin)=1/60度;1弧秒(arcsec)=1/60弧分=1/3,600度或0.8度。

  增量式编码器生成正交反馈脉冲。主处理器以“计数”的形式接收该脉冲信息,为了分析脉冲,在编码器计数和蜗轮角位置之间建立数学关系是必要的。

  在该例子中,我们将利用100:1的蜗轮变速比和分辨率为20,000cpr的编码器。公式如下:

  编码器的输出—通道A和通道B(见图2),它们之间的特点在于它们的正交关系。

  换言之,各通道之间有90电度(electrical degree)的相移。此外,各通道的特点也在于它们的四种状态,即状态1到状态4,每一种状态跨越90电度。关于线性运动的信息,即转动速度和移动距离可以由诸如脉冲周期和脉冲数这样的输出参数导出。与此同时,线性运动的方向可以由两个输出之间的相位关系来确定。当编码轮(codewheel)朝一个方向旋转的时候,通道A比通道B超前90电度;当编码轮朝另一个方向旋转时,通道B将比通道A超前相同的度数。

  通过插值可以实现比编码轮或代码条(codestrip)更高的分辨率,其中存在不同级别的插值。对一个通道的每一个上升沿计数被称为1X(1 倍)编码。通过对一个通道的每一个上升沿及下降沿计数,编码轮或代码条分辨率可以翻倍,从而进一步提高分辨,这被称为2X编码。如果利用通道A和通道B这两个通道的每一个边沿跳变(或每一个逻辑状态),就可以实现4X编码。结果如下列方程所示:

  过去,封装好的具有10,000cpr以上分辨率的编码器的售价一直在500美元范围内;然而,现在出现了大幅度降低成本的方法。一个例子就是安华高科技的AEDA-3300系列增量光学编码引擎(被设计成安装在客户提供的封装内),大批量购买时,20,000cpr版本的价格大约为 73.00美元。

  表1:利用20,000cpr分辨率的光学增量式编码器可能实现的旋转台角分辨率

  AEDA-3300系列器件是具有集成轴承台的三通道光学编码器模块(具有折射通道的四A和B输出),其额定工作温度范围是-40℃~+125℃,并以17mm直径形状因子的封装提供使用。

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