关键词：车载跟瞄装置；齿隙；光电编码器
中图分类号：TP273 文献标识码：A
Ding Jiaoteng Xu Zunlei Luo Yao
（School of Electromechanical Engineering; Xidian University; Xian 710071）
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
随着科学技术的进步，车载跟瞄装置中对动力传动系统的性能有了更高的要求。影响系统控制性能的主要因素是动力传递过程中广泛存在着各种非线性。其中，齿隙非线性既是机械传递过程中不可缺少的一种非线性，同时也是影响系统动态性能和稳态精度的重要因素。如果不消除齿隙的影响，除了造成输出误差外，系统会因极限环振荡或冲击而降低性能甚至变得不稳定，同时齿轮刚性碰撞会产生严重的振荡和噪音。因此，对机械传动系统中存在的齿隙非线性展开深入研究，具有重要的理论意义和工程应用价值。
为了分析齿隙非线性系统的特性，只有对齿隙环节的具体参数进行测量，才能通过控制算法来有效的消除齿隙间隙，所以首先精确的测出齿隙宽度非常有必要。本文列举几种方法来测量齿隙宽度。
2．间接测量法
利用输出信号基波分量的滞后角，间接测量动力传递系统的齿隙。在目前，采用高精度位移传感器及较先进的数采系统精确测出滞后角是容易的。
用非线性系统常用的分析方法——描述函数法，对齿隙进行分析。在已知的非线性系统的描述函数中，非线性环节的正弦输入信号为： 输出信号e（t）=Asinωt是一个非正弦周期信号函数，采用输出信号的基波分量x1（t）近似非线性环节的输出。间隙特性在正弦输入信号作用下输出信号基波分量的波形如图1所示：
图1 输入——输出波形
根据文献[1]得出滞后角为：
这说明滞后角与输入信号振幅A及系统齿隙C（C=2a）有关。如果给定一幅值恒定的激励信号，通过测试手段取得滞后角，即可求解出间隙C。理论上可推导出齿隙C的求解公式，但繁琐，在实际计算中，可通过计算机采用凑数法得到齿隙的近似值。
3．无负载检测法
在没有输出测量元件的情况下，得到齿隙宽度的方法[2]。
一种是半静态齿隙宽度的测量。先让电机以正方向运行，在电机速度为零时，电机静止，然后以反方向运行的一个小力矩脉冲使电机反方向运行，由于该力矩脉冲非常小，因此电机的位移小于齿隙的死区宽度，所以没有力矩传递到输出轴上，测量的就是整个角位移，然后逐步增加力矩脉冲的幅值，只要位移量小于齿隙宽度的2 a,则角位移会随着力矩脉冲的增加而增加，最后由于齿轮开始朝反方向运行，只有当该力矩脉冲刚好传递到输出轴或者负载惯量上，后面几个力矩脉冲被负载的惯量给吸收了，这样就可以确定齿隙的宽度了。
一种是动态测量的方法得到齿隙的宽度[3]，利用composer软件来测量伺服电机系统的阶跃响应曲线，实际系统做阶跃响应时，出现了速度由高到低的现象，该现象可以解释为当电机起动时，主动轮在齿隙运行，当主、从动轮接触时，发生碰撞，电机速度衰减，由于减速器中，加上负载有多个齿轮对的存在，可以看到速度由高到低的现象出现了多次，因此根据电机速度多个衰减值h和所经过的时间段t来近似的估算齿隙的宽度。考虑实际系统的复杂性和负载的随机扰动，通过多次测量和计算，得到多组数据，取它们的平均值。
4．负载检测法
传统的测量方法，运行电机，观测负载移动的角度，经传动比的折算，近似计算出齿隙宽度，这种方法，齿隙宽度的值与检测负载变化装置的精度有关。可以利用车载跟瞄装置中本身携带的激光源，在固定位置捕捉激光移动的距离，再测出固定位置离激光源的距离，就可以粗略测出负载移动的角度，这种方法人为因素大，精度不高。
另外设计了一种基于光电编码器的齿隙测量方法，经实际检测具有很高的测量精度。光电编码器旋转方向由输入通道A_IN，B_IN的信号识别，它们之间相差的电气角度为90º。系统选用的增量光电编码器 ，每转一周编码器A，B通道分别发出1000个脉冲，工作电压为+5V，输出脉冲高电平为+4V；对输出脉冲的计数，选用TI公司的TMS320LF2407A DSP作为微处理器。该DSP具有40MIPS的执行速度，能满足系统实时性控制要求；片内有高达32K字的FLASH程序存储器，自带16路10位A/D转换模块，一个串行通信接口模块，两个正交编码电路和若干个16位通用定时器[4][5] ，简化了外围硬件电路，接口电路如图2所示。
图2 光电编码器接口电路
首先固定编码器，并使编码器旋转轴与负载连接，使得编码器的输出脉冲数与负载的旋转角度相对应。结构模型示意图如图（3）所示。
图（3） 结构模型示意图
先让电机以正方向缓慢减速运动，直到电机速度为零，然后让电机以反方向缓慢运动，在电机反方向运动的同时启动DSP，对编码器输出脉冲进行计数，电机停止后，通过数码管显示计得的脉冲数，即可以计算得出负载转动角度，经传动比的折算，其与电机转动角度之差即为电机与负载之间的齿隙。实验所测输出脉冲数如表（1）
从表中可以看到，电机转动10周，输出脉冲数为183个，因为实验中电机轴跟负载轴的传动比为100，理论输出脉冲应为200个，跟实际相差17个，所以齿隙宽度应为3.06 。再依次算出电机转动20周—80周的齿隙宽度，分别为2.7。，1.8。，2.88。，3.6。，3.96。，3.24。，2.34。，可以认为系统的齿隙宽度为3。。
5．结束语
本文介绍的几种测量齿隙宽度的方法，可以根据实验条件加以选择。把光电编码器测得的齿隙宽度作为参数，运用到光电自动跟踪算法中，经过实际验证，跟踪效果良好，有效的消除了齿隙对系统的影响。
参考文献
[1]杨送非，等。直升机操纵系统间隙测量新方法[J]。测控技术，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]刘和平，王维俊，江渝，等.TMS320LF240X DSP C语言开发应用[M]。北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[5]Texas Instruments Incorporated. TMS320LF2407A, LF2406A, 2F2403A, DSP datasheet, 2005
作者简介：丁蛟腾 ，男，1981年生，硕士，研究方向：机电控制，联系地址：西安电子科技大学47信箱，邮编710071 电话：13572266220
