寄生式时栅位移传感器电气系统及误差修正模型研究

发布时间：2017-08-11 05:02

  本文关键词：寄生式时栅位移传感器电气系统及误差修正模型研究

  更多相关文章： 寄生式时栅位移传感器 STM32F4 TDC-GP2 AD9958 误差修正模型

【摘要】：时栅位移传感器因回避了传统光栅依赖精密加工、精密刻线的要求,从而在机械加工和其他精密位移测量领域应用越来越广泛。但时栅位移传感器在大型高速、重载、强振、强污染等极端复杂工况下,很难得以应用,为了解决这一问题,本课题所依托的科研团队提出了寄生式时栅位移传感器,直接把被测的齿轮、蜗轮、等当作均匀分度的“齿栅”,作为行波产生器件,再用时钟脉冲进行精密测量,从而将原有的机械传动副变成“带检测功能的传动副”。但是,寄生式时栅在测量过程中,还存在着以下问题:一是寄生式时栅位移传感器电气系统的各模块使用不同芯片,使联合调试困难并且影响测量稳定性;二是时栅位移传感器高精度测量时,需要高精度的时钟插补,而目前使用的插补时钟也不满足精度要求。三是实际测量误差成分较多,对误差修正模型研究,达到减小误差的目的。针对寄生式时栅位移传感器测量中存在的以上技术性问题,对其进行电气系统的设计和误差修正模型的研究。设计电气系统采用单片微处理器方式集成化处理;采用高精度时间数字转化器精确测量;采用等间距谐波误差模型对误差进行修正;实现高精度、高稳定性测量,从而达到提高效率,降低生产成本,实现产业化目的。本课题针对寄生式时栅位移传感器的电气特性,选用集成了FPU和DSP,高主频ARM Cortex-M4内核STM32F4VGT芯片作为主控制器芯片,控制AD9958数字频率直接合成(DDS)技术产生激励信号,实现电气系统集成化和高稳定性。采用高分辨率的TDC-GP2数字时钟转换器来对传感器动、定测头的感应信号相位差,实现高精度时间测量。在STM32F4VGT芯片中集成的FPU和DSP指令集进行数据处理和算法实现。在离散测头测量下,采用等间距谐波修正模型实现误差修正,分析其各次谐波误差,达到修正的目的,实现寄生式时栅位移传感器高稳定性、高精度测量系统设计。通过搭建测量平台进行实验操作和研究,实验表明:48对极寄生式时栅传感器整周(0~360°)的稳定度达到±0.5″内,整周误差达到±2.3″,对极内(0~7.5°)的误差±2.5″,满足系统要求,实现了高稳定性、高精度测量。
【关键词】：寄生式时栅位移传感器 STM32F4 TDC-GP2 AD9958 误差修正模型
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 课题的来源、背景及意义10-11
• 1.2 国内外位移传感器研究现状11-17
• 1.2.1 传统位移传感器发展现状11-12
• 1.2.2 时栅位移传感器研究现状12-15
• 1.2.3 寄生式时栅位移传感器电气系统研究现状15-16
• 1.2.4 寄生式时栅位移传感器误差修正模型研究现状16-17
• 1.3 论文主要研究内容17-18
• 2 时栅位移传感器测量原理18-26
• 2.1 时空坐标转换理论18-20
• 2.2 时栅时空坐标转换模型20-22
• 2.3 时栅角位移传感器测量原理22-24
• 2.4 本章小节24-26
• 3 电气系统总体方案设计26-32
• 3.1 基于STM32F4和TDC-GP2的高精度测量系统方案26-28
• 3.2 激励信号产生模块28
• 3.3 感应信号处理模块28-30
• 3.3.1 模拟信号处理模块29
• 3.3.2 数字信号处理模块29-30
• 3.4 本章小节30-32
• 4 寄生式时栅位移传感器电气系统硬件设计32-44
• 4.1 系统硬件电路总体结构32
• 4.2 主控芯片电路32-35
• 4.2.1 STM32F407VGT33
• 4.2.2 时钟电路33-34
• 4.2.3 控制与调试电路34-35
• 4.3 系统电源电路35-36
• 4.3.1 数字部分电源电路35-36
• 4.3.2 模拟部分电源电路36
• 4.4 激励信号产生电路36-38
• 4.4.1 AD9958激励信号电路37-38
• 4.4.2 功率放大电路38
• 4.5 感应信号调理与采集电路38-40
• 4.5.1 感应信号调理电路39
• 4.5.2 TDC-GP2数据采集电路39-40
• 4.6 信号转换电路40-41
• 4.7 RS-232 串口电路41
• 4.8 印刷电路板设计41-42
• 4.9 本章小节42-44
• 5 误差修正模型研究与系统软件设计44-54
• 5.1 误差修正模型研究44-46
• 5.1.1 等间距谐波误差修正模型44-45
• 5.1.2 误差修正方法45
• 5.1.3 等间距采样谐波修正45-46
• 5.2 软件开发总流程及开发软件46-48
• 5.2.1 软件开发总流程46-47
• 5.2.2 KeilμVision4开发软件47-48
• 5.3 软件开发各部分模块设计48-53
• 5.3.1 系统初始化48
• 5.3.2 激励信号产生模块48-49
• 5.3.3 感应信号采集模块49-50
• 5.3.4 数据处理与误差补偿模块50-52
• 5.3.5 通讯模块52-53
• 5.4 本章小节53-54
• 6 实验研究54-62
• 6.1 实验平台搭建54
• 6.2 功能模块的实验研究54-59
• 6.2.1 电路板调试55
• 6.2.2 激励信号产生模块实验55-56
• 6.2.3 感应信号调理模块实验56-57
• 6.2.4 数据处理和误差补偿实验57-59
• 6.3 本章小结59-62
• 7 总结与展望62-64
• 7.1 总结62-63
• 7.2 展望63-64
• 致谢64-66
• 参考文献66-68
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果68

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本文编号：654289