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。本文總結了求齒隙寬度的幾種方法：間接測量法，無負載檢測法，負載檢測法。重點介紹了光電編碼器在求齒隙寬度中的應用。 關鍵詞：車載跟瞄裝置；齒隙；光電編碼器 中圖分類號：TP273 文獻標識碼：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 隨著科學技術的進步，車載跟瞄裝置中對動力傳動系統的性能有了更高的要求。影響系統控制性能的主要因素是動力傳遞過程中廣泛存在著各種非線性。其中，齒隙非線性既是機械傳遞過程中不可缺少的一種非線性，同時也是影響系統動態性能和穩態精度的重要因素。如果不消除齒隙的影響，除了造成輸出誤差外，系統會因極限環振蕩或沖擊而降低性能甚至變得不穩定，同時齒輪剛性碰撞會產生嚴重的振蕩和噪音。因此，對機械傳動系統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用價值。 為了分析齒隙非線性系統的特性，只有對齒隙環節的具體參數進行測量，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，間接測量動力傳遞系統的齒隙。在目前，采用高精度位移傳感器及較先進的數采系統精確測出滯后角是容易的。 用非線性系統常用的分析方法——描述函數法，對齒隙進行分析。在已知的非線性系統的描述函數中，非線性環節的正弦輸入信號為： 輸出信號e（t）=Asinωt是一個非正弦周期信號函數，采用輸出信號的基波分量x[sub]1[/sub]（t）近似非線性環節的輸出。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] 根據文獻[1]得出滯后角為： 這說明滯后角與輸入信號振幅A及系統齒隙C（C=2a）有關。如果給定一幅值恒定的激勵信號，通過測試手段取得滯后角，即可求解出間隙C。理論上可推導出齒隙C的求解公式，但繁瑣，在實際計算中，可通過計算機采用湊數法得到齒隙的近似值。 3．無負載檢測法 在沒有輸出測量元件的情況下，得到齒隙寬度的方法[2]。 一種是半靜態齒隙寬度的測量。先讓電機以正方向運行，在電機速度為零時，電機靜止，然后以反方向運行的一個小力矩脈沖使電機反方向運行，由于該力矩脈沖非常小，因此電機的位移小于齒隙的死區寬度，所以沒有力矩傳遞到輸出軸上，測量的就是整個角位移，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行，只有當該力矩脈沖剛好傳遞到輸出軸或者負載慣量上，后面幾個力矩脈沖被負載的慣量給吸收了，這樣就可以確定齒隙的寬度了。 一種是動態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系統的階躍響應曲線，實際系統做階躍響應時，出現了速度由高到低的現象，該現象可以解釋為當電機起動時，主動輪在齒隙運行，當主、從動輪接觸時，發生碰撞，電機速度衰減，由于減速器中，加上負載有多個齒輪對的存在，可以看到速度由高到低的現象出現了多次，因此根據電機速度多個衰減值h和所經過的時間段t來近似的估算齒隙的寬度。考慮實際系統的復雜性和負載的隨機擾動，通過多次測量和計算，得到多組數據，取它們的平均值。 4．負載檢測法 傳統的測量方法，運行電機，觀測負載移動的角度，經傳動比的折算，近似計算出齒隙寬度，這種方法，齒隙寬度的值與檢測負載變化裝置的精度有關。可以利用車載跟瞄裝置中本身攜帶的激光源，在固定位置捕捉激光移動的距離，再測出固定位置離激光源的距離，就可以粗略測出負載移動的角度，這種方法人為因素大，精度不高。 另外設計了一種基于光電編碼器的齒隙測量方法，經實際檢測具有很高的測量精度。光電編碼器旋轉方向由輸入通道A_IN，B_IN的信號識別，它們之間相差的電氣角度為90º。系統選用的增量光電編碼器 ，每轉一周編碼器A，B通道分別發出1000個脈沖，工作電壓為+5V，輸出脈沖高電平為+4V；對輸出脈沖的計數，選用TI公司的TMS320LF2407A DSP作為微處理器。該DSP具有40MIPS的執行速度，能滿足系統實時性控制要求；片內有高達32K字的FLASH程序存儲器，自帶16路10位A/D轉換模塊，一個串行通信接口模塊，兩個正交編碼電路和若干個16位通用定時器[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，并使編碼器旋轉軸與負載連接，使得編碼器的輸出脈沖數與負載的旋轉角度相對應。結構模型示意圖如圖（3）所示。 [align=center] 圖（3） 結構模型示意圖[/align] 先讓電機以正方向緩慢減速運動，直到電機速度為零，然后讓電機以反方向緩慢運動，在電機反方向運動的同時啟動DSP，對編碼器輸出脈沖進行計數，電機停止后，通過數碼管顯示計得的脈沖數，即可以計算得出負載轉動角度，經傳動比的折算，其與電機轉動角度之差即為電機與負載之間的齒隙。實驗所測輸出脈沖數如表（1） [align=center]表（1）輸出脈沖數的所測數據 [/align] 從表中可以看到，電機轉動10周，輸出脈沖數為183個，因為實驗中電機軸跟負載軸的傳動比為100，理論輸出脈沖應為200個，跟實際相差17個，所以齒隙寬度應為3.06 。再依次算出電機轉動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]，可以認為系統的齒隙寬度為3[sup]。[/sup]。 5．結束語 本文介紹的幾種測量齒隙寬度的方法，可以根據實驗條件加以選擇。把光電編碼器測得的齒隙寬度作為參數，運用到光電自動跟蹤算法中，經過實際驗證，跟蹤效果良好，有效的消除了齒隙對系統的影響。 參考文獻 [1]楊送非，等。直升機操縱系統間隙測量新方法[J]。測控技術，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語言開發應用[M]。北京：北京航空航天大學出版社，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：機電控制，聯系地址：西安電子科技大學47信箱，郵編710071 電話：13572266220