摘要：精確的測出齒隙寬度，才能通過控制算法有效的消除齒隙間隙。本文總結(jié)了求齒隙寬度的幾種方法：間接測量法，無負(fù)載檢測法，負(fù)載檢測法。重點(diǎn)介紹了光電編碼器在求齒隙寬度中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：車載跟瞄裝置；齒隙；光電編碼器 中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A [align=center]The measure methods of backlash in Tracking Device for Vehicles Ding Jiaoteng Xu Zunlei Luo Yao （School of Electromechanical Engineering; Xidian University; Xian 710071）[/align] Abstract: Measuring the width of backlash exactly, can effectively eliminate the width of backlash through the control algorithm. This article summarized several methods for measuring the width of backlash: Indirectly measure, measurement without the load, measurement with the load. Introduced the application with emphasis of the photo electricity encoder in measuring the width of backlash. Key words: Tracking Device for Vehicles; backlash; the photoelectricity encoder 1．引言 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，車載跟瞄裝置中對動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的性能有了更高的要求。影響系統(tǒng)控制性能的主要因素是動(dòng)力傳遞過程中廣泛存在著各種非線性。其中，齒隙非線性既是機(jī)械傳遞過程中不可缺少的一種非線性，同時(shí)也是影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度的重要因素。如果不消除齒隙的影響，除了造成輸出誤差外，系統(tǒng)會因極限環(huán)振蕩或沖擊而降低性能甚至變得不穩(wěn)定，同時(shí)齒輪剛性碰撞會產(chǎn)生嚴(yán)重的振蕩和噪音。因此，對機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中存在的齒隙非線性展開深入研究，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 為了分析齒隙非線性系統(tǒng)的特性，只有對齒隙環(huán)節(jié)的具體參數(shù)進(jìn)行測量，才能通過控制算法來有效的消除齒隙間隙，所以首先精確的測出齒隙寬度非常有必要。本文列舉幾種方法來測量齒隙寬度。 2．間接測量法 利用輸出信號基波分量的滯后角，間接測量動(dòng)力傳遞系統(tǒng)的齒隙。在目前，采用高精度位移傳感器及較先進(jìn)的數(shù)采系統(tǒng)精確測出滯后角是容易的。 用非線性系統(tǒng)常用的分析方法——描述函數(shù)法，對齒隙進(jìn)行分析。在已知的非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)中，非線性環(huán)節(jié)的正弦輸入信號為： 輸出信號e（t）=Asinωt是一個(gè)非正弦周期信號函數(shù)，采用輸出信號的基波分量x[sub]1[/sub]（t）近似非線性環(huán)節(jié)的輸出。間隙特性在正弦輸入信號作用下輸出信號基波分量的波形如圖1所示： [align=center] 圖1 輸入——輸出波形[/align] 根據(jù)文獻(xiàn)[1]得出滯后角為： 這說明滯后角與輸入信號振幅A及系統(tǒng)齒隙C（C=2a）有關(guān)。如果給定一幅值恒定的激勵(lì)信號，通過測試手段取得滯后角，即可求解出間隙C。理論上可推導(dǎo)出齒隙C的求解公式，但繁瑣，在實(shí)際計(jì)算中，可通過計(jì)算機(jī)采用湊數(shù)法得到齒隙的近似值。 3．無負(fù)載檢測法 在沒有輸出測量元件的情況下，得到齒隙寬度的方法[2]。 一種是半靜態(tài)齒隙寬度的測量。先讓電機(jī)以正方向運(yùn)行，在電機(jī)速度為零時(shí)，電機(jī)靜止，然后以反方向運(yùn)行的一個(gè)小力矩脈沖使電機(jī)反方向運(yùn)行，由于該力矩脈沖非常小，因此電機(jī)的位移小于齒隙的死區(qū)寬度，所以沒有力矩傳遞到輸出軸上，測量的就是整個(gè)角位移，然后逐步增加力矩脈沖的幅值，只要位移量小于齒隙寬度的2 a,則角位移會隨著力矩脈沖的增加而增加，最后由于齒輪開始朝反方向運(yùn)行，只有當(dāng)該力矩脈沖剛好傳遞到輸出軸或者負(fù)載慣量上，后面幾個(gè)力矩脈沖被負(fù)載的慣量給吸收了，這樣就可以確定齒隙的寬度了。 一種是動(dòng)態(tài)測量的方法得到齒隙的寬度[3]，利用composer軟件來測量伺服電機(jī)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，實(shí)際系統(tǒng)做階躍響應(yīng)時(shí)，出現(xiàn)了速度由高到低的現(xiàn)象，該現(xiàn)象可以解釋為當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，主動(dòng)輪在齒隙運(yùn)行，當(dāng)主、從動(dòng)輪接觸時(shí)，發(fā)生碰撞，電機(jī)速度衰減，由于減速器中，加上負(fù)載有多個(gè)齒輪對的存在，可以看到速度由高到低的現(xiàn)象出現(xiàn)了多次，因此根據(jù)電機(jī)速度多個(gè)衰減值h和所經(jīng)過的時(shí)間段t來近似的估算齒隙的寬度。考慮實(shí)際系統(tǒng)的復(fù)雜性和負(fù)載的隨機(jī)擾動(dòng)，通過多次測量和計(jì)算，得到多組數(shù)據(jù)，取它們的平均值。 4．負(fù)載檢測法 傳統(tǒng)的測量方法，運(yùn)行電機(jī)，觀測負(fù)載移動(dòng)的角度，經(jīng)傳動(dòng)比的折算，近似計(jì)算出齒隙寬度，這種方法，齒隙寬度的值與檢測負(fù)載變化裝置的精度有關(guān)?？梢岳密囕d跟瞄裝置中本身攜帶的激光源，在固定位置捕捉激光移動(dòng)的距離，再測出固定位置離激光源的距離，就可以粗略測出負(fù)載移動(dòng)的角度，這種方法人為因素大，精度不高。 另外設(shè)計(jì)了一種基于光電編碼器的齒隙測量方法，經(jīng)實(shí)際檢測具有很高的測量精度。光電編碼器旋轉(zhuǎn)方向由輸入通道A_IN，B_IN的信號識別，它們之間相差的電氣角度為90º。系統(tǒng)選用的增量光電編碼器 ，每轉(zhuǎn)一周編碼器A，B通道分別發(fā)出1000個(gè)脈沖，工作電壓為+5V，輸出脈沖高電平為+4V；對輸出脈沖的計(jì)數(shù)，選用TI公司的TMS320LF2407A DSP作為微處理器。該DSP具有40MIPS的執(zhí)行速度，能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性控制要求；片內(nèi)有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲器，自帶16路10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，一個(gè)串行通信接口模塊，兩個(gè)正交編碼電路和若干個(gè)16位通用定時(shí)器[4][5] ，簡化了外圍硬件電路，接口電路如圖2所示。 [align=center] 圖2 光電編碼器接口電路[/align] 首先固定編碼器，并使編碼器旋轉(zhuǎn)軸與負(fù)載連接，使得編碼器的輸出脈沖數(shù)與負(fù)載的旋轉(zhuǎn)角度相對應(yīng)。結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖（3）所示。 [align=center] 圖（3） 結(jié)構(gòu)模型示意圖[/align] 先讓電機(jī)以正方向緩慢減速運(yùn)動(dòng)，直到電機(jī)速度為零，然后讓電機(jī)以反方向緩慢運(yùn)動(dòng)，在電機(jī)反方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)啟動(dòng)DSP，對編碼器輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，電機(jī)停止后，通過數(shù)碼管顯示計(jì)得的脈沖數(shù)，即可以計(jì)算得出負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)角度，經(jīng)傳動(dòng)比的折算，其與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度之差即為電機(jī)與負(fù)載之間的齒隙。實(shí)驗(yàn)所測輸出脈沖數(shù)如表（1） [align=center]表（1）輸出脈沖數(shù)的所測數(shù)據(jù) [/align] 從表中可以看到，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)10周，輸出脈沖數(shù)為183個(gè)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中電機(jī)軸跟負(fù)載軸的傳動(dòng)比為100，理論輸出脈沖應(yīng)為200個(gè)，跟實(shí)際相差17個(gè)，所以齒隙寬度應(yīng)為3.06 。再依次算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)20周—80周的齒隙寬度，分別為2.7[sup]。[/sup]，1.8[sup]。[/sup]，2.88[sup]。[/sup]，3.6[sup]。[/sup]，3.96[sup]。[/sup]，3.24[sup]。[/sup]，2.34[sup]。[/sup]，可以認(rèn)為系統(tǒng)的齒隙寬度為3[sup]。[/sup]。 5．結(jié)束語 本文介紹的幾種測量齒隙寬度的方法，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件加以選擇。把光電編碼器測得的齒隙寬度作為參數(shù)，運(yùn)用到光電自動(dòng)跟蹤算法中，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，跟蹤效果良好，有效的消除了齒隙對系統(tǒng)的影響。 參考文獻(xiàn) [1]楊送非，等。直升機(jī)操縱系統(tǒng)間隙測量新方法[J]。測控技術(shù)，2006。 [2]Dirk Gebler and Joachim Holtz,Fellow. Identification and Compensation of Gear Backlash without Output Position Sensor In High-Precision Servo Systems. Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.Vol.2,P662-6 [3]Jeffrey L.stein,Churn-Hway Wang.Estimation of Gear Backlash:Theory and Simulation,Journal of Dynamic Systems,Measurement,and control.1998,Vol. 120（3），P74-82 [4]劉和平，王維俊，江渝，等.TMS320LF240X DSP C語言開發(fā)應(yīng)用[M]。北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003. [5]Texas Instruments Incorporated. TMS320LF2407A, LF2406A, 2F2403A, DSP datasheet, 2005 作者簡介：丁蛟騰 ，男，1981年生，碩士，研究方向：機(jī)電控制，聯(lián)系地址：西安電子科技大學(xué)47信箱，郵編710071 電話：13572266220