FPGA与单片机实现的光栅转矩传感器研究

"基于FPGA和单片机的光栅转矩传感器的研究" 本文详细探讨了基于FPGA（Field-Programmable Gate Array）和单片机的光栅转矩传感器的设计与实现，该传感器旨在提供一种结构简洁、测量精度高的解决方案。在控制理论与控制工程领域，转矩测量是至关重要的，它对机械产品的研发、测试分析、质量检测以及安全和优化控制等工作具有重要意义。传统的转矩传感器往往结构复杂，安装难度大，而本文介绍的新型传感器则克服了这些局限。 首先，作者周巧玲概述了当前转矩传感器的发展状况，分析了不同类型的转矩传感器，如应变片式、磁电式、光学式等的特性及其存在的不足。这有助于理解新设计的必要性和优势。 接着，文章详细阐述了光栅转矩传感器的工作原理。通过将光栅产生的光电信号转换为矩形波信号，分析旋转轴运动对光电输出信号的影响，找出两路矩形波信号相位与扭转角的关系，从而构建了系统的测量方案。基于这种关系，推导出了精确的测量计算公式，以实现高精度的转矩测量。 随后，作者构建了一个实验平台，主要包括被测主轴、光栅对机构和光电装置座三部分，这为实际操作和验证提供了基础。 在硬件和软件设计方面，结合FPGA和单片机的优势，设计了系统电路。FPGA因其可编程性和高速处理能力，适用于复杂的实时信号处理；而单片机则在控制和数据管理上表现出色。两者结合，可以实现对动态测量数据的有效管理和分析。 针对动态测量数据的特性，如时变性、随机性、相关性和动态性，论文研究了相应的处理方法，确保数据的准确性和可靠性。 在系统调试和实验阶段，采用分步调试与集成实验相结合的方式，首先对各单元模块进行独立验证，分析其性能，然后进行整体联调，对传感器进行标定，以确保其测量精度。 最后，作者对系统误差进行了深入分析，并提出了针对性的改进措施，以提高传感器的性能和稳定性。 关键词：光栅转矩传感器、相位差、FPGA、单片机 这篇硕士学位论文全面地涵盖了基于FPGA和单片机的光栅转矩传感器的理论研究、设计实现和实验验证，为转矩测量技术的进步提供了新的思路和实用工具。