摘要：根据高速传动误差的检测原理，研制开发了一种高速传动误差检测系统。该系统利用单片机、CPLD器件与PC机组成上、下位机系统，采用USB接口进行数据传输，具有集成度高、智能化程度高、工作可靠等优点，为高速传动误差检测与振动、噪声检测的相互结合创造了条件。

1 引言

传动误差可定义为：在驱动完全准确且为刚性的条件下，传动链输出端的实际位置与理论位置之差。对于不同条件下的传动误差，其检测方式也不相同。例如：由于机床传动误差检测只考虑影响加工尺寸精度的误差因素，而不考虑影响加工表面粗糙度的振动等因素，因此机床传动误差通常在低速情况下进行检测；对于齿轮箱传动，由于传动误差是引起振动与噪声的主要因素，而振动与噪声需在高速、满负荷情况下进行检测，因此如能实现高速传动误差检测，对于振动和噪声的分析与控制将十分有利。制约高速传动误差检测的主要技术瓶颈为信号处理和高速数据传输问题。随着电子技术、计算机技术的发展，尤其是近年来大容量可编程逻辑器件(PLD)技术、通用串行总线(USB)接口技术的开发与应用，为突破高速传动误差检测的技术瓶颈提供了有效解决方法。

本文针对高速传动误差检测的特点，基于同步位移比较原理，利用Cypress公司带USB接口的CY7C64613单片机和Altera公司的CPLD器件与PC机组成分立式上、下位机系统，研制开发了智能化高速传动误差检测系统。

2 高速传动误差测量原理

测量高速传动误差时，对传感器输出的两路脉冲信号P₁、P₂不作任何倍频(或分频)处理，直接送入下位机进行计数，即将对齿轮传动误差的位移比相转化为对两路不同频率的脉冲信号计数的比较，即所得离散化的齿轮传动误差值为 (1)式中：E_k——第" 点的齿轮传动误差值

I——传动比

(ΣP₁)i——第i次采样时P₁信号的脉冲个数

N₁——P₁信号的脉冲当量

λ₁，λ₂——分别为两个传感器光栅的栅线数

在式(1)中，信号计数处理可能产生的最大量化误差为脉冲当量N₁，对于普通光栅传感器而言，该误差太大，因此必须对其作进一步细分处理。细分方法是将外部设置的高频时钟脉冲P_t插入两路脉冲信号中，通过插值处理可检测出两路信号相位差的小数部分。P_t脉冲频率可根据具体测量精度要求分别选取20MHz、10MHz等。将传感器圆光栅发出的脉冲信号P视为空间尺度，高频时钟脉冲信号P_t视为时间尺度，在建立二者的对应关系后，即可对每个采样点进行插值处理，将高分辨率的时间量转化为空间量的小数部分。如采用一次(直线)插值法，只需对采样点前后两点进行插值处理；若分辨率要求较高，则可采用二次(抛物线)插值法，对采样点前后三点进行插值处理。

在第i个P₂脉冲中P₁脉冲的个数为 (2)式中：(ΣP₁)_ti——第i个P₂脉冲中P₁脉冲的整数个数

t_s——第i个P₂脉冲到来时的高频时钟脉冲P_t计数值

t₀、t₁——第t个P₂脉冲到来时前两个P₁脉冲分别触发的高频时钟脉冲P_t计数值

t₂——第i个P₂脉冲到来时后一个P₁脉冲触发的高频时钟脉冲P_t计数值

依此类推，利用采样点前后n+1点的信息，即可进行n次拉格郎日插值处理。将式(2)代入式(1)，即可求出齿轮传动误差值。

综上所述，高速传动误差检测系统通过建立时间尺度与空间尺度的对应关系，在采样计数过程中对栅距空间进行插值细分，实现了对脉冲当量小数部分的精确测量。

3 系统结构原理与设计

(1)系统结构原理

高速传动误差检测系统工作原理。该系统是一个基于上、下位机的信号采集、分析系统，采用USB接口作为数据传输通道。与传统的并行接口或串行接口相比，USB接口具有以下优点：①数据传输速度快。USB接口分为高速和低速两种模式，主模式(高速模式)的数据传输率达12Mbps，远远高于串行接口的数据传输率(115～230kbps)和标准并行接口的数据传输率(1Mbps)；②易于安装和配置。USB设备支持即插即用和热拔插，系统可对其进行自动配置，不再占用中断资源或DMA资源；③易于扩展。USB联接的外围设备最多可达127个(共5层)；④可采用总线供电。USB总线可提供最大5V、500mA的电流，非常适合小功耗设备使用；⑤使用灵活。USB接口共有控制传输、同步传输、中断传输和批量传输4种传输模式，可适应不同设备的需要。

(2)下位机系统的设计

下位机主要用于数据的采集、读取和发送。下位机系统由CY7C64613单片机和CPLD MAX7128S器件组成，分为数据采样模块和数据读取模块。

①数据采样模块

系统的数据采样模块由大量数字电路组成，为提高系统稳定性，选用MAX7128S专用集成电路代替分立元件。MAX7128S具有2500个逻辑门、128个宏单元和84个I/O引脚，计数器频率为151.5MHz，可满足系统的测量要求。根据传动误差测量原理，数据采样模块由计数器子模块、数据锁存子模块、插补时钟子模块等组成。

②数据读取、发送模块根据传动误差测量原理，测量时需同时处理两路信号，并向上位机发送数据，为此选用CY7C64613单片机组成数据读取、发送模块。CY7C64613单片机包含8K RAM、3个时钟和13个中断源，内置智能串行引擎(SIE)，支持4种USB传输模式，采用增强型(23& 指令系统(程序执行速度为相同工作频率下标准(23& 系统的’ 倍)。数据读取、发送模块的工作过程如下：将单片机的T₀、T₁设置为外部计数方式，T₀接低速端脉冲信号(P₂)，T₁接高速端脉冲信号(P₁)。当每一个高速端脉冲信号到来时，T₁溢出中断，t_cc加1，采集该时刻插补时钟脉冲P_t的计数值t_i，并存入预先在单片机内开辟的缓冲区。当采样有效点到来时，主单片机T₀计数器溢出中断，采集该时刻插补时钟脉冲P_t的计数值t_s，并将T₁下一次溢出中断时采集的计数值作为t₂，将上两次溢出中断时采集的计数值作为t₁和t₀，然后单片机以批量传输方式向PC机发送t₀、t₁、t₂、t_s、t_cc。如此进行下去直至完成整个测量过程。

(3)上位机系统的设计

上位机系统主要用于向下位机发送数据采集命令和相关参数，并完成数据处理与显示。上位机系统基于Windows98/2000操作平台，采用VC++6.0语言编程，利用Windows提供的用于与外接设备通讯的API函数(Createfile、Writefile、Readfile)实现数据读写以及对设备的控制。

4 结语

研制的高速传动误差检测系统的测量范围分别为：100～1000r/min(低速端)，2000～6000r/min(高速端)；传动比为10～100。实际应用结果表明，该系统具有以下特点：①采用CPLD大大提高了系统集成度，减小了板卡体积，降低了系统发热和干扰，提高了系统可靠性；②使用USB接口和增强型8051单片机，较好解决了高速数据的采集与传输难题；③采用分立式上、下位机系统，扩展了PC机使用范围，便于将其纳入监控网络；④为高速传动误差检测与振动、噪声检测的相互结合创造了条件。