ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УГЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Данная полезная модель относится к разделу измерительной техники, включающему в себя фотоэлектрические угловые преобразователи, и может найти применение также в метрологии и в системах управления различными объектами.
1. Современное состояние развития фотоэлектрических угловых преобразователей инкрементного типа.
В настоящее время во всем мире фотоэлектрические угловые преобразователи инкрементного типа создаются (например, Обзорный каталог фирмы / JOHANNES HEIDEN-HAIN GmbH. // Trauntreut. Germany, 2009 или B.B. Коротаев, В. Прокофьев, А.Н. Тимофеев / Оптико-электронные преобразователи линейных и угловых перемещений // Учебное пособие, Часть 1, Санкт-Петербург, 2012) на основе измерительных растров, установленных на валу либо объекта контроля, либо собственного шпиндельного узла, считывающих головок, состоящих в свою очередь из осветителя, матрицы индикаторных растров, матрицы фотодиодов и электронного блока, формирующего выходные сигналы преобразователя. Как правило, выходные сигналы фотоэлектрических угловых преобразователей инкрементного типа представляют собой два электрических сигнала, сдвинутые по фазе на 90°. При этом они могут быть представлены либо аналоговыми гармоническими сигналами, либо цифровыми. Часто эти сигналы называют квадратурными. Далее эти сигналы по линиям связи поступают на вход внешнего блока регистрации. В блоке регистрации эти сигналы используются для управления реверсивным счетчиком и интерполятором. Цифровые сигналы интерполятора и реверсивного счетчика формируют выходной код угла поворота измерительного растра преобразователя.
Выходные сигналы фотоэлектрических угловых преобразователей инкрементного типа должны иметь равные амплитуды и взаимный фазовый сдвиг точно на 90°, чтобы обеспечивать возможность регистрации изменений угла поворота растра с требуемой точностью.
В настоящее время практически все производители подобных изделий обеспечивают выполнение данных требований за счет использования соответствующих юстировочных узлов, заложенных в конструкцию преобразователей. Например, выравнивание амплитуд выходных сигналов фотоэлектрических преобразователей достигается за счет использования механических шторок, частично перекрывающих световые потоки на каждый из фотоприемников (см., например, Латыев С.М. «Конструирование точных (оптических) приборов» // Изд. «Лань», 2015 г. С.-Петербург, Москва, Краснодар, стр. 278, рис. 6.37 (вставка) или A. Ernst "Length or Angle Measuring Instrument" // US Patent, N 4461083, 23.07.1984). Как правило, точный 90° фазовый сдвиг между обоими выходными сигналами достигается за счет использования матрицы индикаторных растров, смещенных между собой на  периода штрихов в измерительном растре. Из-за расходимости излучения и наличия зазора между измерительным и индикаторными растрами требуемый 90° фазовый сдвиг между обоими выходными сигналами формируется неточно. Поэтому в конструкциях угловых преобразователей предусмотрена возможность подстройки угла наклона светодиода, подсвечивающего используемую матрицу индикаторных растров. Данная возможность достигается за счет использования соответствующего механического юстировочного узла (см. Латыев С.М. «Конструирование точных (оптических) приборов» // Изд. «Лань», 2015 г. С.-Петербург, Москва, Краснодар, стр. 472, рис. 9.110).
Однако выполнение указанных выше требований равенства амплитуд квадратурных сигналов и соблюдения точного 90° фазового сдвига между обоими выходными сигналами является только необходимым условием достижения высокой точности преобразования угла. Необходимым, но не достаточным, т.к. фаза выходных сигналов преобразователя искажается также рядом других причин, таких как эксцентриситет установки измерительного растра на вал шпиндельного узла преобразователя, биения подшипников шпиндельного узла, неточность изготовления топологии измерительного растра. Нередко с целью повышения точности угловых преобразователей для устранения этих причин используют принцип компенсации отмеченных выше источников искажений (например, Patent US 6,304,825 B1. Rotary encoder error compensation system and method for photoreceptor surface motion sensing and control. - Date of patent: Oct. 16, 2001. - 13 p.: ill). Суть его состоит в том, что изготовленный угловой преобразователь устанавливают на специальный измерительный стенд, с помощью процессора, входящего в состав стенда, формируют файл данных, характеризующих погрешность данного преобразователя. Из памяти процессора стенда сформированный файл данных переносят в память процессора системы, в составе которой используется в качестве датчика обратной связи данный угловой преобразователь, чтобы при работе использовать с противоположным знаком эти данные для повышения точности системы в целом. Пример реализации подобного стенда приведен в одном из упомянутых выше источников (Латыев С.М. «Конструирование точных (оптических) приборов» // Изд. «Лань», 2015 г. С.-Петербург, Москва, Краснодар, стр. 495, рис. 9.123).
2. Накопившиеся проблемы в данной области техники.
Однако, использование механических юстировочных узлов в составе конструкции угловых преобразователей начинает сдерживать процесс миниатюризации угловых преобразователей, прежде всего преобразователей повышенной точности. Последнее особо важно для таких ключевых отраслей как авионика, ракетно-космическая техника.
Кроме того, изготовители угловых преобразователей, как правило, не предоставляют потребителям подробную информацию о погрешностях всех штрихов измерительных растров, приобретаемых у них преобразователей. Поэтому повышение точности угловых преобразователей (особенно преобразователей упрощенной конструкции) за счет использования процедур компенсации измеренной погрешности потребителям приходится делать за свое счет и свой риск. Как правило, они идут на это, если технически не имеют возможности применить более точные угловые преобразователи. На практике более точные преобразователи - это и более сложные, со многими головками считывания, и более габаритные. Но часто потребителям сложно осуществить процедуру компенсации погрешности. Поэтому целесообразно обеспечить в конструктивно более простых (а, следовательно, более дешевых) моделях преобразователей техническую возможность реализации указанной процедуры компенсации погрешности. Это позволит повысить конкурентоспособность применения самого принципа компенсации систематической погрешности, как эффективного средства повышения точности измерений, и расширить использование более простых механических конструкций угловых датчиков, позволяющих заметно снизить массогабаритные показатели угловых преобразователей повышенной точности.
3. Вариант решения выделенных проблем.
Ниже с целью снижения массогабаритных показателей фотоэлектрических угловых датчиков инкрементного типа повышенной точности предлагается следующая техническая реализация электроники подобных преобразователей.
Предлагаемая схема электроники углового преобразователя позволяет выполнить нормирование сигналов фотоэлектрических преобразователей без использования механических юстировочных узлов и в разы повысить точность измерений при одновременном снижении массогабаритных показателей устройства. Этот результат достигается за счет создания и применения в предлагаемом устройстве оригинальных электронных блоков на основе современных электронных компонент.
Вариант технической реализации углового преобразователя представлен на фиг. 1. В состав фотоэлектрического углового преобразователя инкрементного типа, созданного на основе сопряжения двух растров: растра измерительного и растра индикаторного, входят следующие функциональные узлы: узел подсветки 1, предварительный формирователь квадратур 2, процессор 3, формирователь выходных квадратур 4.
Узел подсветки 1 выполнен в виде единого блока, состоящего из коллимирующей линзы 5, в фокусе которой установлен светодиод 6. Формирователь квадратур 2 состоит из фотодиодной матрицы 7, преобразователей фототока в напряжения 8, потенциометров - нормализаторов 9, потенциомтров - фазовращателей 10 и суммирующих усилителей 11. В состав фотодиодной матрицы 7 входят пять фотодиодов (на фиг. 1 - они расположены соответственно сверху вниз), фототоки которых с помощью пяти преобразователей фототока в напряжения 8 формируют на их выходах напряжения, пропорциональные: Sin X, sin (Х+180°), Cos X, Cos (Х+180°) и 0, где X - текущая фаза квадратур. К выходам преобразователей 8 подключены потенциометры 9, с помощью которых нормализуют амплитуды выходных сигналов, передаваемых на входы суммирующих усилителей 11.
m
m
m
m
0
Известно, что фотодиоды по отношению к интенсивности падающего на них излучения выступают как квадратичные детекторы. Поэтому выходы преобразователей фототока в напряжение 8 кроме информационных составляющих вида: U Sin X, U sin (X+90°), U sin (X+180°), U sin (X+270°), содержат также постоянные составляющие U:
.
1
2
3
4
Чтобы получить из них квадратурные сигналы Sin X и Cos X их направляют попарно (а именно, (U и U), (U и U)) на прямые и инверсные входы операционных усилителей 11.
Как уже упоминалось выше, остаточная расходимость излучения в осветителе и наличие зазора между измерительным и индикаторным растрами приводит к искажениям необходимого относительного фазового сдвига на 90° в указанных сигналах. Пусть искажения относительного фазового сдвига составят ε. Примем, что искажениям подверглись фазы обоих сигналов. Тогда внутри интервала ε всегда найдется значение X, относительно которого отличия в фазах обоих сигналов равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку: Sin(X-ε/2) и Cos(X+ε/2), соответственно. Фазы обоих сигналов могут быть скорректированы, если далее учитывать их с «весом» Cos ε/2 и ввести корректирующие добавки: (Sin (Х-ε/2)⋅Sin ε/2) для сигнала Cos X и (Cos(X+ε/2)⋅Sin ε/2) для сигнала SinX:
.
Для этого исходные сигналы (1) подаются на входы соответствующих потенциометров 9, а снимаются с их выходов, уменьшенными пропорционально соответствующим «весам». Эти сигналы направляются на входы операционных усилителей 11. Корректирующие добавки формируются за счет того, что необходимые два сигнала снимаются с выходов соответствующих усилителей 11 и направляются на входы потенциометров 10, а соответствующие добавки снимаются с выхода потенциометров 10. В результате выполнения данной процедуры выходные сигналы имеют одинаковые фазы и равные амплитуды, т.е. нормализация квадратур осуществляется без использования механических юстировочных узлов.
Однако, при повороте вала с измерительным растром выходные сигналы кроме измеряемого движения модулируются еще тремя видами паразитных движений, связанных с наличием эксцентриситета установки измерительного растра на вал шпиндельного узла преобразователя, с наличием биений вала из-за неточности подшипников вала и с неточностью положения штрихов на носителе (т.е. из-за погрешности изготовления топологии измерительного растра). Эти паразитные движения в основном и определяют угловую погрешность преобразователя. Величину этой погрешности можно оценить, по крайней мере, в первом приближении. Пусть изготовлен угловой преобразователь с одной считывающей головкой. При этом измерительный растр преобразователя имеет диаметр, D=90 мм. Предположим, что растр изготовлен на лазерном генераторе изображений с фактором нестабильности F=0,218 мкм (относительно фактора нестабильности F см. Кирьянов В.П., Кирьянов А.В. «Улучшение метрологических характеристик лазерных генераторов изображений с круговым сканированием», «Автометрия», 2010. Т. 46, №5, с. 77-93). Далее предположим, что в шпиндельном узле преобразователя использованы подшипники, обеспечивающие биения вала ΔХ, например, не более ±1,5 мкм. И наконец, пусть измерительный растр установлен на валу шпиндельного узла преобразователя с эксцентриситетом порядка е=1,0 мкм.
В соответствии с принятыми исходными данными вклады δϕ указанных источников возмущений (в угловых секундах) могут быть оценены, используя следующее выражение:
где Δ - это или фактор нестабильности F, или амплитуда биений вала ΔХ, или эксцентриситет установки растра е в мкм; С - константа, равная 1296000 (число угловых секунд в полном круге), D - диаметр растра в мкм.
Тогда
- погрешность изготовления топологии растра будет порядка ±1,5'',
- погрешность от эксцентриситета установки растра будет не менее ±4,8'',
- погрешность от биения подшипников будет лежать в пределах ±6,87''.
Т.к. погрешность от биения подшипников относится к случайным величинам, то суммарный эффект от действия трех источников возмущений целесообразно оценивать по закону сложения случайных величин:
.
Полученная оценка погрешности углового преобразователя с одной считывающей головкой, равная ±8,5'', достаточно объективно характеризует метрологические показатели подобного типа преобразователей. Например, преобразователь ROD-280 фирмы Heidenhain (Германия), имеющий одну считывающую головку и близкие габариты, в проспектах фирмы характеризуется погрешностью δ=±5''.
Покажем, что техническое решение электронного блока в соответствии со схемой, представленной на фиг. 1, позволяет существенно снизить погрешность преобразования.
Для этого, как уже упоминалось, изготовленный образец углового преобразователя устанавливают на измерительном стенде и с его помощью снимают файл данных об угловой погрешности преобразователя. Достоверность полученных данных о погрешности контролируемого преобразователя в значительной мере определяется точностью референтного датчика, используемого в измерительном стенде. Если в качестве референтного датчика в стенде использовался преобразователь модели RON-905, (фирма Heidenhain, Германия) имеющий собственную погрешность, равную ±0,4'', то файл данных, характеризующих погрешность положения каждого штриха контролируемого преобразователя, будет иметь неопределенность порядка ±0,4''.
Информация о погрешности формирования штрихов измерительного растра углового преобразователя заносится в блок памяти 15 процессора 3 по шине данных 12 с выхода управляющего компьютера, управляющего работой стенда, и используется в преобразователе следующим образом. Чтобы данные о погрешности штрихов точно соответствовали штрихам реального растра, который был аттестован на упомянутом стенде, используется реверсивный счетчик 14, входящий в состав процессора 3. Для этого счетчик обнуляется сигналом метки «0» углового датчика и далее благодаря применению формирователя управляющих сигналов 13 отслеживает с точностью до  периода квадратур текущую фазу угла поворота измерительного растра. Выходные коды реверсивного счетчика являются адресами ячеек в блоке памяти, хранящего коды поправок на пространственное искажение положения штрихов датчика, зарегистрированное на измерительном стенде.
i
Как правило, измерительная система стенда регистрирует (в угловых величинах) пространственное отклонение границы штриха от его идеального положения в пределах полного оборота растра. Чаще всего границе штриха ставят в соответствие точку перехода через ноль синусной составляющей выходного квадратурного сигнала преобразователя (фиг. 2, а и б). В неявной форме предполагается, что в пределах всего этого периода мгновенные значения паразитных смещений фазы сигнала аналогичны величине смещения точки перехода синусной компоненты через ноль. В действительности мгновенные значения паразитных смещений фазы сигнала внутри периода занимают промежуточные значения между зарегистрированными поправками в соседних периодах. Эти промежуточные значения могут быть вычислены, используя те или иные методы интерполяции. Пример использования кусочно-линейной интерполяции по четырем точкам внутри каждого периода квадратурного сигнала применительно к измеренным значениям погрешности положения границ 99-ого, 100-го и 101-го штрихов массива из 18000 штрихов измерительного растра представлен на фиг. 2. Здесь моментам прохода переднего края штриха ставятся в соответствие, например, моменты перехода через нулевой уровень синусной компоненты квадратур в направлении из положительных напряжений в отрицательные. На графике фиг. 2, б эти моменты выделены круглыми точками. Не представляет особых затруднений выделить внутри каждого периода выходного сигнала еще три момента, распределенные по фазе равномерно между имеющимися отсчетами. В качестве их целесообразно взять моменты прохода через нуль в обоих направлениях косинусной компоненты и из отрицательной области напряжений в положительную - синусной. На этом графике они обозначены квадратными точками. Пусть в результате измерений на стенде получено, что передний край 99-ого штриха отстает от идеала на 1,2 угловой секунды, передний край 100-ого штриха - опережает идеал на те же 1,2 угловых секунды, а передний край 101-ого штриха опережает на 1,5 угловой секунды. Значения промежуточных угловых поправок δф нетрудно вычислить, используя в компьютере следующее выражение:
i
где i - номер штриха растра, j=0,1,2,3, Δф - измеренная угловая погрешность i-ого штриха. В табл. 1 в первых четырех колонках приведены значения возможных для подобного случая поправок. В таблице принято, что переднему краю 100-ого штриха соответствует адрес угловой поправки с номером 400, девяносто девятого штриха - 396 адрес, а сто первого - 404 адрес. Промежуточные адреса занимают угловые поправки, рассчитанные в соответствии с принятой процедурой интерполяции. Фазовую коррекцию квадратур реализуют, используя метод сдвига фаз на основе известных тригонометрических соотношений:
*
Если принять, что α - это текущая (искаженная паразитными факторами) фаза выходных квадратур X, а β - паразитное (измеренное на стенде) смещение фазы квадратур δ, то, комбинируя исходные квадратуры с необходимым «весом» и корректирующей добавкой от сопряженной квадратуры, можно получить γ - неискаженную фазу выходных квадратур преобразователя X.
Для этого необходимо искажения, зарегистрированные на стенде для краев штрихов в пределах полного оборота растра, пересчитать для квадратур с учетом т.н. коэффициента оптической редукции, численно равного числу штрихов растра. Например, для принятого выше числа штрихов коэффициент оптической редукции равен 18000. Тогда угловые поправки для выходных квадратур получают умножением угловой поправки для растра на 18000. Пересчитанные угловые поправки для выходных квадратур приведены пятой колонке Таблицы №1.
В шестой и седьмой колонках таблицы приведены значения синуса и косинуса угловой поправки для выходных квадратур. Эти данные передаются по шине данных 12 в блок памяти 15 процессора 3. Далее они используются в узле 4 (цифровые потенциометры 16) для компенсации погрешности в соответствии с известными тригонометрическими выражениями (4).
Чтобы скомпенсировать измеренную погрешность, например, для 100-ого штриха необходимо выражения для обеих квадратур представить следующим образом:
.
100
100
Подставим в (5) значения синусной и косинусной составляющих поправок для угла, равного 6°, т.е. SinΔ=0,104 и CosΔ=0,994, которые хранятся в памяти процессора:
.
Для компенсации погрешности обоих знаков потребуется конфигурация формирователя выходных квадратур 4, представленная на рис. 1. При этом должно выполняться требование, что если код синуса плюсовой поправки #0, то код синуса минусовой поправки обязательно должен быть установлен равным 0 и наоборот.
Оценим, по крайней мере, в первом приближении метрологический эффект от использования подобного технического решения электроники в угловом преобразователе с одной считывающей головкой.
Известно, что с точностью измерительного стенда можно компенсировать только систематические составляющие погрешности преобразования. К ним относятся погрешность формирования топологии измерительного растра, погрешность эксцентриситета установки измерительного растра на вал шпиндельного узла преобразователя, биения вала из-за эксцентриситета установки подшипника. В анализируемом случае, как было показано ранее, эта составляющая погрешности не превысит ±0,4''.
Слабо компенсируются случайные составляющие погрешности. К ним относятся погрешность квантования и суммарное биение шариков (роликов) подшипников.
кв
Известно, что погрешность квантования полностью определяется числом штрихов N в измерительном растре, если в преобразователе осуществлен переход от аналоговых (Sin и Cos) квадратурных сигналов к цифровым. В этом случае погрешность квантования достигает значения δ=±q/2=±36''. Здесь q - величина кванта, равная =1296000''/18000, а 1296000 - число угловых секунд в 360°. Т.е. несмотря на то, что измерительный растр достаточно совершенный, погрешность измерений в таком исполнении преобразователя достаточно велика.
С целью снижения погрешности в предлагаемом варианте преобразователя на выход передаются аналоговые (Sin и Cos) квадратурные сигналы операционных усилителей 17. Благодаря этому в последующей системе управления обеспечивается возможность осуществить т.н. внутришаговую интерполяцию. Например, в системе управления, в состав которой будет входить предлагаемый преобразователь, сигналы, поступающие от него, оцифровываются с помощью двенадцатиразрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Это позволяет реализовать в системе управления вычисление текущей фазы квадратур, используя известное выражение:
кв
При использовании двенадцатиразрядных АЦП возможно вычисление до 4096 дискретных значений фаз. Это означает, что достигается коэффициент интерполяции, равный 4096. Последующую оценку метрологического эффекта от использования данного технического решения сделаем для случая, когда используется только 1024 дискретных значения фазы квадратур, т.е. реализован коэффициент интерполяции равный 1024. Для измерительного растра с N=18000 коэффициент интерполяции k=1024 позволит уменьшить погрешность квантования до уровня δ=±36''/1024=±0,035''. Это значение будет использовано ниже для оценки конечной точности преобразователя.
Вклад от биений шариков в подшипниках преобразователя имеет две составляющие: систематическую и случайную. Систематическая составляющая погрешности биения подшипников выявляется при контроле точности преобразователя с помощью измерительного стенда. Случайная составляющая от суммарного биения всех шариков (роликов) в подшипнике проявляет себя в каждом измерении индивидуально. Ее искажающий вклад составляет, как показывает практика, приблизительно пятую часть от общего дестабилизирующего вклада подшипников. Так как выявленная систематическая составляющая вклада подшипников подавляется за счет процедуры компенсации, то остаточный вклад случайной составляющей биений подшипников составит значение порядка ±1,37''.
Суммарную погрешность оценим по закону сложения случайных величин:
.
Таким образом, выполненные оценки показывают, что суммарная погрешность предлагаемого углового преобразователя может быть снижена в 6 раз по сравнению с исходной оценкой точности преобразователя (а именно, снизить с ±8,5'' до ±1,42''). Полученный результат позволяет предлагаемому преобразователю заметно превысить также и существующий мировой уровень для преобразователей сходной конструкции (±5,0'').