基于FPGA的精密离心机光栅信号细分系统

　　在航空、航天领域中的一些应用于惯性测试的精密离心机，其转速信号通常是由分体式光栅测量系统输出的光栅信号经过具有细分 、辨向 、整形功 能的 电子系 统后而得到的。 该光栅信号通常具有两个功能：送给转速测量仪测量离心机工作实际转速;作为系统速度反馈信号与频率给定装置、鉴相器、脉冲调宽电路、功率放大电路、主电机一起构成闭环控制系统。而在光栅测量中，当主光栅随运动部件移动一个栅距时，就会相应输出一个交变莫尔条纹信号，每出现一个交变莫尔条纹信号就代表移过了一个栅距，即分辨率等于一个栅距。 在精密测量中，为了测量比栅距 更小 的位移 量 ，可 以采用 提高 光栅的刻线密度来实现精度要求。 但由于现代精密离心机的研制 已经 接近或 达到 了当 前机械 工艺 和实验 技 术 的最高水平，其中更高分辨率的光栅在制造工艺上具有相当难度，所以成本相当昂 贵 ，单 纯用 提高精 密离 心机 的制造 工艺 的方法 来提 高其 控制精 度不 但成本 高昂 且 效果不佳[ 1]。 因此 ， 在当前精密离心机的研究中 ， 为了以较低的成本实现较高的控制精度，提出了一种综合了 EDA技术与光栅莫尔条纹电子学细分技术的设计方案。

　　1 光栅信号的产生

　　该系统所要处理的光栅信号采用 32400 刻线圆光栅经如下 4 个过程产生 ：(1)经过 一个 光栅光 学系 统(如图1 所示 ) 产生莫尔条纹并由光电接收系统将光信号转化为电信号。 (2)指示光栅裂相刻划时，中间两个区域相位相差 180°，边缘两个区域相位相差 180°，在整个莫尔条纹视场照度不可能非常均匀的情况下，每一组相差 180°的两路 信号 的直流 电平 相 近 、信 号 幅 值 接 近(利 用 电 阻匹配实现)。 为了消除信号中的直流电平和偶次谐波，提高信号的幅度， 将 0°和 180°、90°和 270°的信号进行差接放大(5~8 倍)，这样就得到相差 90°和一定幅值的正弦和余弦两路信号;(3) 在光栅盘的对径方向均布两个读数头，取初始相位相同的电压信号的平均值，以便消除奇次谐波带来的分度误差， 克服光栅盘安装偏心引起的误差。

　　(4) 正弦波信号经过鉴零比较器整形 ， 得到与过零点相同的相差 90°的两路方波信号和一路零位脉冲信号。 此信号便是系统需要进一步处理的光栅信号。 经系统处理之后，最终系统将输出 5 路信号(如图 2 所示)。

　　(1) 相位相差 90 ° 的 32400 两组方波信号 。

　　(2) 相位相差 90 ° 的 324000 两组方波信号 。

　　(3) 一路零位脉冲信号 。

　　2 莫尔条纹电子学细分

　　由于莫尔信号的周期性，信号每变化一个周期就对应着空间上一个固定的角位移。 传统的电子学细分主要是根据信号的周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在其一个周 期内 进行 插值 ，从 而获 得优于 一个信号周期的更高的分辨率[ 2]。 其常用的方法主要有直接细分法、移相电阻链法、鉴相细分法、幅值 分割法 等。以下是这些方法的特点比较,如表 1 所示。