轴角编码器自动检测平台设计研究

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摘要：轴角编码器是某指控装备的核心器件，其主要功能是把输入轴的转动角度转变成一个对应的二进制编码。该部件出现的故障频率高且部件脱离系统后修理难度大，因此提出研制轴角编码器自动检测平台的需求。检测平台基于PXIe总线架构，选用多功能多路信号输入/输出采集卡采集轴角编码器的输出编码、采集轴角编码器工作时的转速及扭矩信号；选用程控电源模块提供检测平台所需的供电电源。运用开源测试软件SeeSharpTools开发检测平台应用软件。具备模拟轴角编码器实际工作状态，实时显示转动轴扭矩、转速值，采集编码器旋转角度对应的编码值并显示，并具有测试结果分析及打印测试报告的功能。使用L支架结构安装轴角编码器，满足检测过程中频繁更换被测件的需求，极大提高了该轴角编码器的检测效率。

关键词：轴角编码器；PXIe总线；格雷码；解码算法；虚拟仪器；零槽控制器；信号采集卡；SeeSharpTools

轴角编码器主要用于运动伺服控制系统中测量角度位置，是一种把转子的角信息转换成与之对应的电信号的传感器[1]，其具有精度高、环境适应性强、结构简单且成本低等优点[1]。在某指控系统中轴角编码器得到了广泛的应用，是该指控系统的核心器件。轴角编码器的主要功能是把输入轴的角度（0°~360°）信号转换成一个对应的二进制编码。轴角编码器内部是一个有绝缘层和导电层的滚轮，其导电层上通有5V脉冲电压，电刷在滚轮上滑动时，分别会接触到绝缘层和导电层，接触到绝缘层时电刷输出“0”，接触到导电层时电刷输出“1”。滚轮在不同的角度时，电刷上就会出现相应的不同编码。由于轴角编码器工作时存在机械磨损，因而使用一段时间后会出现电刷接触不良现象，导致轴角编码器输出错误编码，引起指控系统发生接收雷达、声纳等外部信息源数据误差大、鱼雷发射时无法给鱼雷装定发射参数等故障。由于该部件出现的故障频率高且部件脱离系统后修理难度大，故提出研制轴角编码器自动检测设备的需求。

1轴角编码器在某指控系统中的运用

轴角编码器通过机械输入轴与外部机械结构耦合，转动输入轴，机械角度发生变化；编码器便通过32芯的插座，输出当前轴角相对应的并行数字编码。一个轴角编码器共有19个电刷，实际输出为19位并行数字编码（Y1~Y19），这19位并行数字编码经过相关电路进行表1的解码变换，得到13位有效数字编码（X1~X13）。其中1~7位为格雷码，8~13位为高六位编码。格雷码是一种无权码，其编码特点是任意两相邻代码间只有一位数码不同，这对数码的传输有很大的帮助，因为它大大减少了由一个状态到下一个状态时电路中的模糊状态，提高了电路的抗干扰能力，所以格雷码是一种错误最小化的编码[1]。高六位编码（8~13位）的编码值由相邻的低位码确定，即第八位码值根据第七位的码值确定，第九位码值根据第八位的码值确定，以此类推。举例说明：假设轴角编码器输出的编码为：0101010101010011011（从高到低），则根据表1的转换公式可解码得到输出为0101010010010（X13~X1）。将13位二进制编码转换成十进制数，则数值范围为0~8191。当轴角编码器正向旋转时，旋转角度从0°~360°变化，十进制数值从0开始，逐渐增大至8191；当轴角编码器反向旋转时，旋转角度从360°~0°变化，十进制数值从8191逐渐减小至0。如果出现无规律的跳码或编码值无变化，说明轴角编码器已经损坏。

2轴角编码器自动检测平台设计

随着计算机技术、信号处理技术、软件技术的发展，虚拟仪器（VirtualInstrument，VI）已经成为测控技术的主流技术[2]。1997年推出的PXI总线技术，综合了PCI、VXI总线和GPIB总线的优点，迅速应用于各领域的测试、诊断平台技术[3]。而PXIExpress总线[4]（PXIe）作为PXI总线的扩展，具有高数据吞吐量、模块化集成等关键技术优势。轴角编码器自动检测平台采用PXIe架构设计，具有5个PXIe槽位。主要系统实现如下功能：1）模拟轴角编码器的实际工作状态；2）实时显示扭矩、转速值；3）轴角编码器正转一个循环：显示数据按加1的规律从0~8191变化；4）轴角编码器反转一个循环：显示数据按减1的规律从8191~0变化；5）自动记录编码值数据，生成检测报告；6）输出电源检查：2路0~48V可调电源，最大电流2A。

2.1系统方案

基于PXIe总线的轴角编码器自动检测设备由工控机、试验台架、直流电机、被测轴角编码器、扭矩传感器组成。直流电机作为轴角编码器的执行机构，带动轴角编码器旋转。扭矩传感器安装于试验台架的传动轴上。扭矩传感器测量的转矩、转速信号送至工控机内的信号采集板卡，经软件转换后，显示转矩、转速值。轴角编码器输出的编码信号送至工控机内的数字信号采集卡，经软件解算后显示器显示有效数字编码值。工控机内的程控电源模块为直流电机、被测轴角编码器提供电源；开关电源为检测设备中的扭矩传感器提供工作电源。该测试系统的整个工作过程在PXIe机箱中的零槽控制器的统一控制下完成，系统组成框图如图1所示。

2.2硬件设计

2.2.1主控计算机主控计算机是整个测试平台的核心[5]，由PXIe主控制器、显示器、键盘鼠标组成。计算机机箱选用简仪科技的PXIe⁃2315PMK机箱，该机箱是一款内置PXIeGen35槽背板和加固机壳的便携式PXIeGen3机箱，此机箱采用专业的工业外观设计、全铝镁合金结构和一体化紧凑型设计，集成15.6″高清工业显示屏、工业电阻触摸屏、工业触摸板、防水硅胶键盘和测控电源等，具有高集成、强固、便携等特点。选用PXIe⁃63977嵌入式控制器，集成第七代IntelCorei5⁃7440EQ处理器，240GB固态硬盘，8GB内存，4个USB2.0，2个USB3.0，1个GPIB控制接口，1个RS232/422/485接口。2.2.2信号采集板卡系统选用16通道18位高精度数据采集卡PXIe⁃5516。该采集卡具有1.25MS/s采样率，异步采样方式；支持16路单端模拟输入，模拟输入范围分为7档：±10V，±5V，±2V，±1V，±0.5V，±0.2V，±0.1V。提供2路12位D/A模拟量输出通道，使用其中一路模拟量输出通道用于控制直流电机转速。24路数字输入输出通道，使用一路数字量输出通道用于控制直流电机正向或反向转动，使用19路数字输入通道接收19位并行编码。2个10MHz的16位多功能计数通道，用于接收扭矩传感器的转速及扭矩频率信号。轴角编码器自动检测设备的信号控制及采集框图如图2所示。2.2.3扭矩传感器选用的扭矩传感器采用应变桥电测技术，用一组环形变压器非接触提供电源。采用微功耗信号耦合器代替环形变压器进行非接触传递信号，有效地克服了电感耦合信号带来的高次谐波自干扰及能源环形变压器对信号环形变压器的互干扰。使用时将电机通过联轴器带动扭矩仪转动，扭矩仪的另一端通过联轴器接待测的轴角编码器。扭矩仪工作时需提供±12V电压，输入电压和输出信号由扭矩仪上方的方形连接盒前端的圆形连接器连接。扭矩信号选用5~15kHz频率信号，其中正向转矩满量程输出15kHz，零转矩频率输出10kHz，负向转矩满量程输出5kHz，频率信号幅值幅度为3.6~5V。输出的扭矩信号送采集卡PXIe⁃5516的计数器端（CNT1），转换成扭矩数值送工控机，在软件界面显示。扭矩传感器也输出转速信号。该型扭矩传感器内置安装1000脉冲/转的增量式旋转编码器。轴旋转时，旋转编码器输出一组脉冲信号，脉冲信号比例于转速，计1000脉冲/转，输出的转速脉冲信号为TTL信号。该脉冲信号送采集卡PXIe⁃5516的计数器端（CNT2），通过测速算法将其转换成转速数值送工控机，在软件界面显示。2.2.4被测轴角编码器被测轴角编码器通过联轴器与扭矩传感器相连，直流电机带动传动轴转动，机械角度发生变化，轴角编码器通过32芯的插座输出当前轴角相对应的并行19位数字编码。每一位数字输出信号需通过1kΩ上拉电阻接5V电源，然后通过线缆直接送入PXIe⁃5516高精度采集卡。2.2.5PXIe程控电源在主控计算机的控制下产生直流电机及被测轴角编码器所需的直流电源。其中直流电机所需的直流电压为6V，1A；轴角编码器工作电源为5V，1A。

2.3软件设计

轴角编码器自动检测设备采用锐视测控软件（SeeSharpTools）作为开发工具[6]。软件设计采取独立的结构和模块化的编程思想，根据检测设备的使用要求，软件的主要功能模块包括：1）用户登录及用户管理模块。用户分为管理者与一般用户两类，管理者可作为系统专业调试人员，具有各测试仪表单独控制、系统软硬件调试权限，而一般用户只能按界面提示进行轴角编码器的测试。2）系统配置模块。用户登录成功后进入测试系统主界面。在每次打开软件后都进行端口自检一次，检查工控机各端口与仪器仪表连接是否正常，若出现异常，软件会提示检查仪器仪表连接线。3）测试模块。仪器仪表连接正常后，进入测试系统的测试界面，可以调节直流电机的转速，选择轴角编码器是正向还是反向旋转。测试人员可以根据测试需要点击相应的按键执行操作。电源及控制信号给定界面如图3所示。实时采集编码值的显示界面如图4所示，编码值变化波形如图5所示。图5显示的是功能正常的轴角编码器的编码值变化曲线，在5个运转周期内曲线均为平滑的直线。4）数据管理模块。对测量数据进行分析，判定轴角编码器是否正常，生成检测报告。

2.4结构设计

为配合被测轴角编码器、直流电机、扭矩仪的固定安装，自动检测设备需设计一个安装平台。安装平台要求结实耐用，结构紧凑，长宽高不超过1.2m×0.4m×0.9m，调节搬运方便，并有锁紧机构进行固定。安装平台设计图如图6所示。被测轴角编码器使用L型支架安装于试验平台平面上，易于更换、便于重复测试。轴角编码器的固定方式如图7所示。

3结论

本文研制了某指控系统轴角编码器自动检测平台，解决了该轴角编码器无法脱离系统独立检测维修的困难。该检测平台自动化程度高、操作简便、显示直观，适合内场对更换下来的轴角编码器故障件及生产备件进行检测及修理。使用及推广该轴角编码器自动检测平台将大大提高轴角编码器故障件的维修效率。

作者：柳颖 杨洋 单位：中国人民解放军91114部队