CN104297515B - 一种基于编码器实现高分辨率测速的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于编码器实现高分辨率测速的方法，属于编码器测速技术领域。技术方案：利用编码器输出的被测信号和合成信号之间的相位关系来实现精准测量，利用两周期性信号的相位差为零的特征点和参考闸门信号产生实际闸门信号，该闸门时间的起始时刻和终止时刻同步于两个频率信号。实际闸门开启之后，计数器分别开始对两信号进行计数，以此得到测速信号的频率值，最后经频率与速度关系运算得到转速值n。本发明消除通常广泛存在的±1个字的计数误差，使得转速测量分辨率得到提高，能够实现转速宽范围内的高分辨率测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于编码器实现高分辨率测速的方法，利用周期性信号之间的相位关系实现高分辨率测速，属于编码器测速技术领域。
背景技术
编码器与轴相连接，在轴旋转的时候，编码器就会输出脉冲，计数器收到脉冲，根据轴转的速度不同，在单位时间内收到的脉冲总量不一样，即可算出转速值。测速的关键是测量精准的脉冲数，背景技术采用编码器进行速度测量的常用方法有两种：一种是M法，另一种是T法。M法是在给定的闸门时间内测量被测信号脉冲的个数，通过换算得出被测信号的频率；这种方法的测量准确度取决于闸门时间和被测信号频率，当被测信号频率较低时将产生较大的误差。T法是通过测量被测信号的周期，然后换算得出被测信号的频率；这种测量方法的测量准确度取决于被测信号的周期大小和计时准确度。无论是T法还是M法，它们都无法解决测量当中的±1个字的计数误差，限制了测量准确度的提高，上述方法难以满足高分辨率测速要求。
发明内容
本发明目的是提供一种基于编码器实现高分辨率测速的方法，利用周期性信号之间的相位关系的特点，通过检测两信号相位差为零的特征点来开启和关闭实际计数闸门，以此克服±1个字的计数误差，大大消除了通常广泛存在的±1个字的计数误差，使得测量分辨率得到提高，测量电路结构简单、准确度高、附加噪声小、易于实现，解决背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：
一种基于编码器实现高分辨率测速的方法，包含如下步骤：
利用编码器输出的被测信号和合成信号之间的相位关系特点来实现精准测量；
在和间的若干个相位差为零的特征点之间的时间间隔中，分别容纳有这两个频率信号的若干个整数周期；
取和之间的最大公因子频率，则，
其中：m、n为正整数；
最小公倍数周期，在一个的周期时间里含有完整的m个信号波形和完整的n个信号波形；利用时间概念构成测量整数个脉冲的闸门时间，克服±1个字的计数误差，提高测速准确度；
利用两周期性信号的相位差为零的特征点和参考闸门信号产生实际闸门信号，该闸门时间的起始时刻和终止时刻同步于两个频率信号；
在实际闸门时间内对被测信号和合成信号分别进行计数得到被测速度信号的频率值；
计数得到的被测信号的脉冲个数为，计数得到的合成信号脉冲个数为，则被测信号的频率值为：
(1)
式中-被测信号频率；
-合成信号频率；
-实际闸门时间内被测信号的脉冲个数；
-实际闸门时间内合成信号的脉冲个数；
最后利用频率与速度的关系换算得到速度值，实际闸门开启之后，计数器分别开始对两信号进行计数，
最后经相位差为零的特征点与参考闸门的共同作用产生实际闸门，在实际闸门内对和进行计数，分别得到和，根据表达式(1)即可求得被测信号；根据下面表达式(2)运算即可求得转速值；
（2）
式中-编码器输出频率；
-脉冲信号倍频数；
-编码器每圈发出的脉冲数。
本发明大大消除通常广泛存在的±1个字的计数误差，本发明的相对误差可以比M法、T法的相对误差很容易降低十几倍到几十倍，其技术指标已经有很大的提高。本发明利用了编码器输出信号的相位关系特点，使得测速分辨率比M法、T法提高了几十倍以上。对于一个被测速度信号来说，不用划分它的低速段和高速段已决定使用M法还是T法，本发明可以有很宽的测速范围，对变化的速度信号可以进行快速的测量。
本发明的主要创新点是把编码器的输出频率进行粗测，以此得到一个与编码器输出频率有偏差的合成频率，再通过编码器分辨率值的特殊选取，最终可以灵活方便的控制转速测量的响应时间及提高测速分辨率。而且本发明不用划分速度段，可以有很宽的测速范围，对变化的速度信号可以进行快速的测量。
本发明的积极效果是：本发明利用编码器输出的被测信号和合成信号之间的相位关系特点，以此构成测量整数个脉冲的闸门时间，来创造新的高分辨率测速系统。本发明消除通常广泛存在的±1个字的计数误差，使得测量分辨率得到提高；仪器结构简单、易于实现、能够实现宽范围内的高分辨率测量。
附图说明
图1是本发明实施例同步闸门时间产生原理波形图；
图2是本发明实施例的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明
如图1所示：
在编码器输出被测信号和经MCU（微控制单元）控制合成信号间的两个或若干个相位差为零的时间间隔中，分别容纳有这两个频率信号的若干个周期，它们相当接近整数倍周期值；
利用两周期性信号的相位差为零的特征点和参考闸门信号产生实际闸门信号，该闸门时间的起始时刻和终止时刻严格对应于相位差为零的特征点；因此，这个实际闸门与被测信号和合成信号相当接近于同步；
实际闸门的开始是在参考闸门的上升沿到来之后的第一个相位差为零的特征点脉冲来开启的，而实际闸门的关闭是在参考闸门下降沿后的第一个相位差为零的特征点脉冲来关闭的；实际闸门开启之后，计数器分别开始对两频率信号进行计数；
计数得到的被测信号的脉冲个数为，计数得到的合成信号脉冲个数为，则被测信号的频率值为：
(1)
式中-被测信号频率；
-合成信号频率；
-实际闸门时间内被测信号的脉冲个数；
-实际闸门时间内合成信号的脉冲个数。
如图2所示：
被测信号频率先经MCU粗测，经频率合成输出；
在频率合成的过程中使和频率值接近，但存在频差，这时相位差具有单调性，相位差为零的特征点均匀分布，则在相同硬件环境下，可获得较高测量准确度。
考虑到测量的响应时间，选择分辨率能整除6的编码器，例如6000脉冲/转，如果转速为11r/min，则为1.1kHz，这时频率合成为1kHz，那么为0.01s。如果选择分辨率更大的编码器或者转速更高，则响应时间可以更小。这一步为参考闸门时间的设置提供了依据。
然后经CPLD（复杂可编程逻辑器件）编程调节，把和整形成一定宽度的脉冲，随后CPLD进行相位差为零的特征点检测；这个过程中调节两信号的脉冲宽度即可调节相位差为零的特征点的幅值，以此产生触发闸门的信号。
最后经相位差为零的特征点与参考闸门的共同作用产生实际闸门，在实际闸门内对和进行计数，分别得到和，根据表达式(1)即可求得被测信号频率。再经MCU根据表达式(2)运算即可求得转速值。
（2）
式中-编码器输出频率；
-脉冲信号倍频数；
-编码器每圈发出的脉冲数。
经过本发明的测速处理，利用转速信号的固有周期特点，在使用相同的编码器其分辨率为1200PPR，最高频率输出为300kHz的情况下，由于很大程度上消除±1个字的计数误差，所以本发明的相对误差可以比M法、T法的相对误差很容易降低十几倍到几十倍，测速分辨率比M法、T法提高了几十倍以上，其技术指标已经有很大的提高。而且本发明不用划分被测速度信号的低速段和高速段，有很宽的测速范围，对变化的速度信号可以进行快速的测量。
Claims (1)
1.一种基于编码器实现高分辨率测速的方法，其特征在于包含如下步骤：
①编码器输出被测信号，被测信号先经MCU粗测；
②MCU控制合成信号，在频率合成的过程中使和频率值接近，但存在频差，这时
相位差具有单调性，相位差为零的特征点均匀分布，则在相同硬件环境下，可获得较高测量
准确度；
③在编码器输出被测信号和经MCU控制合成信号间的两个或若干个相位差为零的
时间间隔中，分别容纳有这两个频率信号的若干个周期， CPLD进行相位差为零的特征点的
检测；
④利用两周期性信号的相位差为零的特征点和参考闸门信号产生实际闸门信号；实际闸门的开始是在参考闸门的上升沿到来之后的第一个相位差为零的特征点脉冲来开启的，而实际闸门的关闭是在参考闸门下降沿后的第一个相位差为零的特征点脉冲来关闭的，该闸门时间的起始时刻和终止时刻同步于两个频率信号；
⑤在实际闸门时间内对被测信号和合成信号分别进行计数得到被测速度信号的频率值；
计数得到的被测信号的脉冲个数为，计数得到的合成信号脉冲个数为，则被
测信号的频率值为：
(1)
式中-被测信号频率；
-合成信号频率；
-实际闸门时间内被测信号的脉冲个数；
-实际闸门时间内合成信号的脉冲个数；
⑥经MCU根据表达式(2)运算即可求得转速值；
（2）
式中-编码器输出频率；
-脉冲信号倍频数；
-编码器每圈发出的脉冲数。 1
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