MODELIRANJE BRALNE GLAVE OPTIČNEGA ENKODERJA IN MERITEV ULTRA MAJHNIH KOTOV Tomaž Dogša, Matej Šalamon, Bojan Jarc, Mitja Solar Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo In informatiko, Maribor, Slovenia Kjučne besede: optični enl Merilna mrežica s :otodiodami v obliki linij Reflcktivna referenčna Slika2: Fig. 2: Slika 3: Integrirana izvedba optičnega dela enkoderja /5/, /6/. a) princip, b) izvedba. Fig. 3: Integrated version of optical encoder/5/, /6/. a) principle, b) implementation. Merilna mrežica je napravljena s fotolitografijo. Na posameznem območju merilne mrežice (slika 3 b, zgornja oz. spodnja polovica) sta realizirani dve fotodiodi (slika 3 b, povečan izsek), ki zaznavata 90° premaknjena svetlobna tokova. Z dvema mrežicama s fazno premaknitvijo 180° (slika 3 b) dobimo štiri ustrezno fazno premaknjene signale za izločitev vpliva zunanje svetlobe. Svetloba diode LED, ki leži na spodnji plasti, sveti skozi reže med trakovi merilne mrežice. Ker so fotodiode na rezini blizu skupaj, so razlike v njihovih svetlobnih občutljivostih in jakostih okoliške svetlobe majhne. Električni odziv je posledica povprečnega svetlobnega toka, ki ga zaznavajo posamezne fotodiode. S tem je zmanjšan vpliv motenj, kot so to npr. poškodbe ali umazanija na referenčni mrežici. Zaradi namestitve fotodiod na samo merilno mrežico in njihove izvedbe v obliki linij se optični del integriranega enkoderja obnaša kot sistem s tremi mrežicami /4/ nameščenimi ena za drugo na oddaljenosti /. Pri tem se reže srednje mrežice oziroma reflektivne linije referenčne mrežice na sliki 3 a) obnašajo kot zaslonke, ki projicirajo vzorec merilne mrežice na fotodiode. Na fotodiodah dobimo več projekcij referenčne mrežice, ki med sabo interferirajo. Razen boljšega kontrasta pri malih periodah mrežice, imajo enkoderji s sliko mrežice tudi dvakrat večjo ločljivost od klasičnih enkoderjevz dvema mrežicama (enkoderji s senco mrežice). Ob premiku integriranega senzorja za razdaljo d se slika mrežice premakne v nasprotno smer za razdaljo d. Relativno se torej med merilno mrežico in sliko mrežice razdalja spremeni za 2d. Če torej senzor premaknemo za periodo mrežice p se bo svetlobni tok spremenil za dve periodi oz. je ločljivost integriranega enkoderja dvakrat večja, kot jo določa perioda mrežice p. 3. Model sin/cos senzorja Pri modeliranju sin/cos senzorja smo se osredotočili predvsem na funkcionalnost, ki naj omogoča enostavno simulacijo statičnih in dinamičnih lastnosti. Modelirano področje senzorja je na sliki 1 označeno s črtkano črto. Idealna pretvorba premika x v električni signal je odvisna od položaja, oziroma hitrosti i/in periode p: U vh cos ' U (?)=cos[27i;x:(0/ p\ x(})=]v{t)dt (1) (2) (3) Ker nas pri simulaciji zanima dogajanje v električnem prostoru, bomo v nadaljevanju namesto hitrosti vpeljali frekvenco. f = vlp (4) Če še upoštevamo popačenja lahko signala, ki sta na vhodu vezja za korekcijo signalov, opišemo z : ^v;, ..cos (0=4 cos(27I/? + A(P)+ -(- GOS {klnft -I- A(p )+1/^ sin (0= A sin(2Tc/0+ A^, sin(^271/0+ (5) (6) A(p je fazna motnja (odstopanje faze glede na idealen sinus in kosinus), f]e frekvenca, Uc, Us ie enosmerni premik kosinusnega oziroma sinusnega signala, Ac, /As je amplitu-da osnovne harmonske komponente signala in Ak, je am-plituda k-te harmonske komponente. Razen amplitud višje har- mon-skih komponent, so vsi parametri časovno spremenljivi. V idealnih razmerah je Ac=As=^, Ak=Us=Uc=0 in Acp =0. Premikanje glave se odvija po določenem scenariju, ki je sestavljen iz segmentov s konstantnimi hitrostmi in segmentov pospeševanja ter pojemanja. Ker ostri prehodi med segmenti povzročajo konvergenčne probleme, morajo biti prehodi med segmenti zvezni oziroma zaobljeni (glej zgled na sliki 4). Večina sodobnih simulatorjev SPICE pozna vedenjske modele, katerih obnašanje definiramo z matematičnim izrazom, ki je omejen na eno vrstico. S pomočjo takšnih modelov in integratorja smo tvorili makromodel sin/ cos senzorja. Časovno odvisnost posameznega parametra smo modelirali z napetostnim virom v obliki tabelaričnega modela. Le-ta je najprimernejši za modeliranje poljubnih scenarijev, saj z lomnimi točkami enostavno definiramo željen potek (glej zgled na sliki 4). Aip 16 t[ms] Slika 4: Z lomnimi točkami definiramo časovni potek spreminjanja kota. Na podoben način opisujemo tudi hitrost. S polno črto je označeno dejansko spreminjanje kota. Fig. 4: Time-dependent phase shift Is defined by specifying the points. In a similar way the velocity Is defined. The resulting phase shift is marked by the full line. 4. Meritev faznega premika Pred interpolator vstavljeno vezje za korekcijo (signal conditioning module) skuša popraviti vsa odstopanja od idealne oblike signala. Eno izmed odstopanj je dodatni fazni premik AAT, potem je med signalo- Slika 5: Meritev faznega premika. AT je lahko posledica spremembe faze ali frekvence ali hkrati faze in frekvence. Fig. 5: Phase shift measurement. AT could be the result of the phase shift or the frequency change or both. ma sin in cos dodatna fazna zakasnitev ali pa se je v četrtini periode spremenila frekvenca oziroma hitrost. Če je frekvenca konstantna, zakasnitev izračunamo s pomočjo izraza: T (8) oziroma Acp[° ; =90°-Ar'-/-360° (9) To pomeni, da če želimo izmeriti kot 0,1 ° s točnostjo +10%, je potrebno v intervalu dolgem 250|j.s zaznati spremembo 0,278|is z enako točnostjo. Ker želimo zaznati zelo majhna odstopanja faznega premika, mora biti izpisni korak ustrezno kratek (npr. za frekvenco 1kHz približno 0,02jj,s). Pri 40ms dolgi simulaciji dobimo 2x10® točk. Če se frekvenca spreminja, določimo korak glede na najvišjo frekvenco. Fazni kot (9) izračunamo peš ali pa s pomočjo skripta, ki ga izvaja grafični postprocesor. 4.1. Analiza pogreška A(p[°]=90°-Ar'-/-360° ±A(p^ (10) = +A(p„^+A(p„„ (11) Skupni pogrešek faznega premika A(pe je vsota treh pogreškov: A(pm nastane pri meritvi časovnega intervala zlT, A(pni je posledica nestabilne frekvence in A(pnu, ki nastane zaradi enosmernega premika. Ker je Acpm odvisen le od simulacijskega koraka in relativne konvergenčne napake^, bosta v nadaljevanju obravnavana le A(pnf in A(f>n. 4.2. Vpliv stabilnosti hitrosti oziroma frekvence Ker na vrednost izmerjene faze vpliva tudi enosmerni 1 M simulatorju SPICE je to parameter RELTOL. premik in sprememba frekvence, bomo skušali oceniti, kolikšen je vpliv spremembe frekvence. Prehod skozi nič se bo zgodil v t =ziT' oziroma, ko bo argument kosinusne funkcije (7) zavzel vrednost n/2 (glej sliko 5). Če predpostavimo, da ni dodatnega faznega zamika in da frekvenca f linearno narašča s hitrostjo kf od vrednosti fo, je /(0= kj-t + /o, in za argument dobimo kvadratno enačbo 2'K{k^t+ f^-t =71/2 (12) katere rešitev je: -/o+/o Ar [5]= 1+ /0^ (13) 2k< Ta zakasnitev predstavlja navidezni kot oziroma pogrešek pri meritvi faznega premika, ki nastane zaradi spremembe hitrosti oziroma frekvence. Teoretični Izračun in simulacija kažeta, da je AT v prvi periodi največji nato pa se počasi krajša. Pri pogoju f^ »kj- lahko zgornji izraz poenostavimo, če izraz pod korenom razvijemo v Taylorjevo vrsto in upoštevamo prve tri člene: -/0+/0 Ar=- 2/0' 8/; (14) Ar =--- 1 ^f 4/0 16 // Z upoštevanjem enačbe (8) zgornji izraz preuredimo v: Ar = 16 fo' (15) Ko časovni interval izrazimo s kotom, dobimo prirastek navideznega kota v intervalu T/4: Acp nf 360 k^ (16) Ce dobljeni izraz delimo s T/4, dobimo približno odvisnost navideznega kota od frekvence in pospeška: 17 (17) Na sliki 6 je prikazana primerjava med teoretičnim izračunom (17) in simulacijo. Ker nismo upoštevali, da se AT krajša, se razlika pojavi čez nekaj period. Zato enačba (17) predstavlja najbolj neugoden primer naraščanja navideznega kota, ki nastane pri linearnem naraščanju oziroma padanju frekvence. Npr.: za signal s frekvenco 1 kHz in dopustnim pogreškom 0,1 ° je lahko v intervalu 50ms sprememba frekvence največ 22Hz. A(pnf[°] 2.00 1.00 — 2 4 6 t[ms] Slika 6: Potek navideznega kota (pogreška) A(pnf(t) za primer, ko frekvenca 1 kHz po času 2ms začne naraščati s hitrostjo 4,4Hz/ms. (Črtkano je teoretični izračun, poina črta je simulacija.) Fig. 6: The virtual phase shift (measurement error) AcpnfCfJ for the case when the starting 1kHz frequency after 2ms begins to raise with the gradient 4,4Hz/ms. (The theoretical analysis is denoted by the full line, and the implemented approximation corresponds to the dashed line). 4.3. Vpliv enosmerne napetosti Zaradi premaknitve signala navzgor se čas prehoda skozi OV za AT podaljša. 0--A^cos(2nfl)+U^ (18) cos(27i/0=cos(27t/r/4 + 27r/Ar) (19) Kosinusno funkcijo razvijemo v Taylorjevo vrsto in upoštevamo prva člena: cos(27i/r / 4 -1- Inf at) - cos(27i/r / 4)+ +2KfATsin{2Tzfr/4)= InfAT Iz enačbe (18) lahko sedaj izrazimo navidezni kot, ki nastane zaradi majhnega enosmernega premika kosinusnega signala: (20) Podoben izraz dobimo za sinusni signal. Najbolj neugoden primer nastopi, ko sta oba signala premaknjena v isto smer: = 180 n U, \ C + S A A \ C s J (21) Npr.: za signal s frekvenco 1 kHz in dopustnim navideznim kotom oziroma pogreškom 0,1 ° je lahko enosmerni premik obeh signalov največ 872|iV. Pri amplitudi IVjeto 872ppm. 4.4. Primerjava obeh merilnih metod Za ilustracijo smo izvedli meritev faznega kota, ki smo ga spreminjali po scenariju iz slike 4. Amplituda obeh signalov je bila 1 V. Ker sta bila frekvenca oziroma hitrost konstantni in ni bilo enosmernega premika, je nastopal samo Acpm, ki nastane pri meritvi časovnega intervala AT. Slika 7 kaže, da lahko s pomočjo Lissajoujevih krivulj le ocenimo območje, znotraj katerega se je spreminjal kot. Kljub temu da je bila amplituda konstantna, je praktično nemogoče določiti časovno odvisnost kota. Predlagana meritev faze, ki temelji na meritvi prehoda obeh signalov skozi O V, skorajda ne odstopa od dejanskih vrednosti (slika 8). Slika 7: Meritev kota iz slike 4 s pomočjo Lissajoujevih krivulj. Fig. 7: Phase measurement by using Lissajous figures. Phase shift Is changing according to Fig. 4. 16ms SUka 8: Simulacija predlagane meritve faznega kota. Dejanski potek (slika 4) je označen s črtkano, izmerjen pa s polno črto. Fig. 8: The simulation of the proposed phase shift measurement. The actual phase shift (see Fig. 4) is presented by the dashed line and the measured phase shift is denoted by the full line. 5. Zaključek z obstoječimi vedenjskimi modeli lahko enostavno modeliramo bralno glavo, ki daje dva sinusna in kosinusna sig- nala. Razne scenarije uporabe in časovno odvisnost parametrov opišemo kot funkcijo z linearnimi segmenti in mehkimi prehodi. Za meritev časovne odvisnosti ultra majhnih kotov smo izbrali metodo, ki temelji na meritvi prehodov skozi O V. Na točnost meritve vplivajo: pogrešek meritve časovnega intervala, stabilnost frekvence in enosmerni premik. Izpeljani so analitični izrazi, ki omogočajo oceno natančnosti meritve. Če izraze obrnemo, lahko izračunamo potrebno frekvenčno stabilnost in največji dopusten enosmerni premik. 6. Literatura /1 / L. M. Sanchez-Brea, T. Morlanes: "Metrological errors in optical encoders", Measurement science & technology, ISSN 0957-0233, vol. 19, štev. 11, 2008. /2/ J. Roznnan, A. Pleteršek: "Optical encoder system with THD below-60dB! ", Informacije MIDEM, vol 39, štev 1, 2009. /3/ D. Shetty, R. A. Kolk: "Mechatronics System Design," PWS Pub., Boston, 1997. /4/ Hyung Suck Cho: "Opto-Mechatronic Systems Handbook, Techniques and Applications," Boca Raton, CRC Press, cop. 2003. /5/ K. Hane, T. Endo, Y. Ito, M. Sasaki: "A compact optical encoder with micromachlned photodetector," J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 3, 191-195, 2001. /6/ Hane, K., Endo, T., Ishimori, M., Ito, Y, and Sasaki, M.,: "Integration of grating-image-type encoder using Si micromachin-/ng," Sensors Actuators A, 97-98, 139-146, 2002. TomaŽ Dogša, Matej Šalamon, Bojan Jarc, Mitja Solar Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko. Univerza v Mariboru, Smetanova 17, Maribor Tel. (+386 (0)2 220 7231, E-mail: tdogsa@uni-mb.si Prispelo (Arrived): 01.06.2009 Sprejeto (Accepted): 09.09.2009