CN104482949A - 一种光电编码器精码零偏、幅值自适应补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种光电编码器精码零偏、幅值自适应补偿方法，它涉及的是光电编码器译码、补偿和调试等技术领域。为了解决现有的方法因复杂程度很高，译码电路的自适应性很差，而且观察示波器的得到的数据包含大量的人为误差，严重损耗了编码器的精度的问题。其补偿的步骤是：光电编码器的光电信号通过A/D采样，采用递推平均滤波法对采样数据进行一次滤波，变成新的数据，在一个采样周期内将新的数据点采用冒泡法向上向下分别取得最大值和最小值，对最大值和最小值用“中位数”的方法进行平滑估计得到估计波峰值和估计波谷值，采用一阶滞后滤波算法计算得到新的基准电压。本发明极大的减小地面测试和操作的难度，提高了测试精度和对外界环境的适应性。

Description

一种光电编码器精码零偏、幅值自适应补偿方法

技术领域

本发明提出了一种光电编码器精码零偏、幅值自适应补偿方法，它涉及的是光电编码器译码、补偿和调试等技术领域。

背景技术

卫星空间光通信系统中的光电编码器在太空中会受到很多难以预测的影响，比如温度变化，空间碎片的撞击，震动，辐射等，会导致光电编码器在译码过程中产生偏差甚至译码错误，对地面的测试和调试带来了严重影响。

在恶劣的环境和复杂的条件下，由于光电编码器光电发射器件和光电接收器件的参数易受环境因素的影响，致使译码电路得到的光电流信号发生较大的变化，直接影响了译码电路的正常译码。同时长时间使用电子元器件的老化也会使光电信号的质量降低，影响其测角精度。为了保证高精度编码器在不同温度环境和长期使用后的测角精度，必须要根据实际情况，调整各路光电信号的参数。而目前采用的方法均采用手工调试的方式，即通过手工调节大量电位器同时观察示波器信号波形来确定和修改译码器电路的内部程序参数。这种方法不仅复杂程度很高，译码电路的自适应性很差，而且观察示波器的得到的数据包含大量的人为误差，严重损耗了编码器的精度。因此为光电码盘设计自适应性能力强，可靠性高，调试简单通用性好的译码电路显得十分重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种光电编码器精码零偏、幅值自适应补偿方法，以解决现有的方法因复杂程度很高，译码电路的自适应性很差，而且观察示波器的得到的数据包含大量的人为误差，严重损耗了编码器的精度的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种光电编码器精码零偏、幅值自适应补偿方法，所述方法的实现过程为：

光电编码器的光电信号通过A/D采样，对信号进行离散化；

采用递推平均滤波法对采样数据进行一次滤波，得到滤波后的序列；

在一个采样周期内对滤波后的序列采用冒泡法向上向下分别取得最大值和最小值；

对最大值和最小值用“中位数”的方法进行平滑估计得到估计波峰值和估计波谷值；

采用一阶滞后滤波算法计算得到修正后的基准电压值，(由于系统信号频率很高且不需要实时更新基准电压)设定为每5s钟读取一次修正后的基准电压值，并将其更新为用于比较的基准电压。

对最大值和最小值用“中位数”的方法进行平滑估计得到估计波峰值和估计波谷值，其过程为：

在通过A/D采集的信号x(k)前后各取n个值构成2n+1个元素的序列{x(k)}＝{x₁,x₂,x₃,...,x_k,...x_2n+1}，取序列{x(k)}的前5个值从小到大排序，并将排序后的值赋给{x_ii}＝{x₁₁,x₂₂,x₃₃,x₄₄,x₅₅}，其中x₁₁<x₂₂<x₃₃<x₄₄<x₅₅，取其中位数x₃₃，记做X'₃，然后舍去x₁₁，加入x₆₆，取x₂₂,x₃₃,x₄₄,x₅₅,x₆₆的中位数X'₄，……；依次类推到2n-3个中位数，最后组成相邻5个数据的中位数序列{X'_i}(i＝3,4，…2n-1)；再用类似的方法从序列{X'_i}构成相邻三数据的中位数序列{X″_i}(i＝4,5…2n-2)；最后构成序列{X″_i'}：X″_i'＝(X″_i-1/4)+(X″_i/2)+(X″_i+1/4)，i＝5,6,7,…2n-3；令设定适当的数值△，若|x_i-X″_i'|>△,则剔除x_i，并根据相邻数据平滑的假设，用内插值替代x_i，新插入的值x'_t＝x_t-T+(x_t-T-x_t-2T)，x_t为t时刻的采样点，x_t-T为x_t前一个采样点，将处理完的数据取其算数平均值作为估计值。

采用一阶滞后滤波算法计算得到修正后的电压值，以补偿基准电压，其过程为：

$Y_n=(1-\&PartialD;)y_n+\&PartialD;Y_{n-1};$

y_n是当次采样一周期之后所计算得到的估计波峰值或估计波谷值；

Y_n-1是上周期的滤波结果；

是滤波平滑系数；T_s是采样一个周期的时间，τ是滤波环节的时间常数，根据信号频率和纹波决定。

本发明的有益效果是：

本发明方法给光电编码器译码提供一种自适应补偿基准电压的算法。本发明提供的光电编码器精码零偏、幅值自适应补偿方法，能够自动补偿编码器在工作过程中受到外界影响或自身形变对编码器造成的影响。本发明方法不仅能够极大的减小地面测试和操作的难度，而且测试精度和对外界环境的适应性大大的提高，从而提高了编码器的精度。

附图说明

图1采用传统方法从光电编码器中输出的光电信号的译码波形示意图；

图2采用自适应基准电压的方法从光电编码器中输出的光电信号的译码波形示意图；

图3是本发明所述的光电编码器精码零偏、幅值自适应补偿方法的流程框图。

具体实施方式

如图3所示，本实施方式所述的光电编码器精码零偏、幅值自适应补偿方法的实现过程如下：

一、光电编码器的光电信号通过A/D采样，对信号进行离散化；

二、采用递推平均滤波法对采样数据进行一次滤波，得到滤波后的序列；

三、在一个采样周期内对滤波后的序列采用冒泡法向上向下分别取得最大值和最小值；

四、对最大值和最小值用“中位数”的方法进行平滑估计得到估计波峰值和估计波谷值；

五、采用一阶滞后滤波算法计算得到修正后的基准电压值(新的基准电压值)；

六、由于系统信号频率很高且不需要实时更新基准电压，设定为每5s钟读取一次修正后的基准电压值，并将其更新为用于比较的基准电压。

通过步骤一、二、三和四得到当前时刻估计的波峰、波谷值，这两个值的差“波峰-波谷”就是幅值，“((波峰-波谷)/2)+波谷”得到的是零偏，所以通过对波峰与波谷的实时估计就能自适应补偿幅值与零偏。

对最大值和最小值用“中位数”的方法进行平滑估计得到估计波峰值和估计波谷值，其过程为：

在通过A/D采集的信号x(k)前后各取n个值构成2n+1个元素的序列{x(k)}＝{x₁,x₂,x₃,...,x_k,...x_2n+1}，取序列{x(k)}的前5个值从小到大排序，并将排序后的值赋给{x_ii}＝{x₁₁,x₂₂,x₃₃,x₄₄,x₅₅}，其中x₁₁<x₂₂<x₃₃<x₄₄<x₅₅，取其中位数x₃₃，记做X'₃，然后舍去x₁₁，加入x₆₆，取x₂₂,x₃₃,x₄₄,x₅₅,x₆₆的中位数X'₄，……；依次类推到2n-3个中位数，最后组成相邻5个数据的中位数序列{X'_i}(i＝3,4，…2n-1)；再用类似的方法从序列{X'_i}构成相邻三数据的中位数序列{X″_i}(i＝4,5…2n-2)；最后构成序列{X″′_i}：Xi″′_i＝(X″_i-1/4)+(X″_i/2)+(X″_i+1/4)，i＝5,6,7,…2n-3；令设定适当的数值△，若|x_i-X″′_i|>△,则剔除x_i，并根据相邻数据平滑的假设，用内插值替代它，新插入的值x'_t＝x_t-T+(x_t-T-x_t-2T)，x_t为t时刻的采样点，x_t-T为x_t前一个采样点，将处理完的数据取其算数平均值作为估计值。

采用一阶滞后滤波算法计算得到修正后的电压值，以补偿基准电压，其过程为：

$Y_n=(1-\&PartialD;)y_n+\&PartialD;Y_{n-1};$

y_n是当次采样一周期之后所计算得到的估计波峰值或估计波谷值；

Y_n-1是上周期的滤波结果；

是滤波平滑系数；T_s是采样一个周期的时间，τ是滤波环节的时间常数，根据信号频率和纹波决定。

给出本发明方法的实施例如下：

传统采用的方法均采用手工调试的方式，即通过手工调节大量电位器同时观察示波器信号波形来确定和修改译码器电路的内部程序参数。这种方法的弊端就是基准电压是实现测好的，但是当码盘受到温度或外界其他影响影响时，其波形的幅值可能会发生变化或波形整体向上或向下浮动，由于基准电压是固定值，那么就可能产生译码误差甚至译码错误，影响测角精度，如图1所示，图1所示是从对光电编码器输出的光电信号译码后的波形示意图，从图中可以看到在第三个周期时，波形的幅值变大，导致其相位发生偏移，原本已经达到90°相位的位置，相位却只有60.11°，而第四个周期中幅值变小，原本只是达到相位60.33°的位置，在第三周期所测到的相位已经到达90°，对测量精度有非常大的影响。图2采用自适应补偿基准电压的方法，可以在第三周期幅值增大时，将基准电压调整到其峰峰值，调整相位偏差，使得译码结果准确，保证测角精度，在第四周期峰值减小时，将基准电压调整到其峰峰值，调整相位偏差，保证测角精度，使得译码结果准确，当信号向上或向下浮动时，也可以自适应调节基准电压，保证相位的吻合，使得译码结果准确，保证测角精度。

本发明选用的码盘为中科院长春光机所生产的22位分辨率高精度光电轴角编码器，精码道刻划周期数是4096，码盘的最大角速度是8mrad/s，通过软件控制A/D每1ms采样一次，每个采样周期细分为1024个点。这时光电信号的频率为4096×8mrad/s＝5.2hz，采样频率是1khz，所以一个周期能采到1000/5.2≈192个点。本发明的步骤是：

001将光电编码器的光电信号离散化，用A/D对其进行采样，其具体方法是：

由上面所述只每个周期能采到约192个采样点，分别编号为u(1)，u(2)，u(3)，……u(192)。

002采用递推平均滤波法对采样数据进行一次滤波：

把连续取N个采样值看成一个对列，队列的长度固定为N，每次采用到一个新的数据放入队尾，并扔掉队首的一个数据，把队列中的N个数据进行算术平均值运算，就可得到新的滤波结果：x(1)，x(2)，x(3)，……x(192)。

003采用冒泡法取得最大值和最小值：

由上述方法可以得到最大值max＝x(k)，最小值min＝x(u)。

003对最大值和最小值用“中位数”的方法进行平滑估计得到估计波峰值和估计波谷值。

1)通过步骤002已经取得最大值x(k)和最小值x(u)，T是采样点间的时间间隔，分别在最大值x(k)和最小值x(u)前后各取n个值，n的值由波形所受到的干扰，比如噪声，纹波，温漂等的频率决定，下面的方法取n为5的情况来介绍这种方法，分别在最大值前面和后面各取5个点x(k-5T),x(k-4T),x(k-3T),x(k-2T),x(k-T),x(k+T),x(k+2T),x(k+3T),x(k+4T),x(k+5T)与x(k)构成最大值序列{x_i}＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈,x₉,x₁₀,x₁₁}，分别在最小值前面和后面各取5个点x(u-5T),x(u-4T),x(u-3T),x(u-2T),x(u-T),x(u+T),x(u+2T),x(u+3T),x(u+4T),x(u+5T)与x(u)构成最小值序列{y(u)}＝{y₁,y₂,y₃,y₄,y₅,y₆,y₇,y₈,y₉,y₁₀,y₁₁}。

2)用中位数法对序列做平滑估计求估计波峰值：取序列{x(k)}的前5个值从小到大排序，并将排序后的值赋给{x_ii}＝{x₁₁,x₂₂,x₃₃,x₄₄,x₅₅}，其中(x₁₁<x₂₂<x₃₃<x₄₄<x₅₅)，取其中位数x₃₃，记做X'₃，然后舍去x₁₁，加入x₆₆，取x₂₂,x₃₃,x₄₄,x₅₅,x₆₆的中位数X'₄，……。依次类推到7个中位数，最后组成相邻5个数据的中位数序列{X'_i}(i＝3,4，…10)；再用类似的方法从序列{X'_i}构成相邻三数据的中位数序列{X″_i}(i＝4,5…8)；最后构成序列{X″′_i}：X″′_i＝(X″_i-1/4)+(X″_i/2)+(X″_i+1/4)，(i＝5,6,7)令设定适当的数值△，若|x_i-X″′_i|>△,则剔除x_i，并根据相邻数据平滑的假设，用内插值替代它，新插入的值x'_t＝x_t-T+(x_t-T-x_t-2T)，x_t为t时刻的采样点，x_t-T为x_t前一个采样点，将处理完的数据取其算数平均值作为估计波峰值。

3)用中位数法对序列做平滑估计求估计波谷值：取序列{y(u)}的前5个值从小到大排序，并将排序后的值赋给{y_ii}＝{y₁₁,y₂₂,y₃₃,y₄₄,y₅₅}，其中(y₁₁<y₂₂<y₃₃<y₄₄<y₅₅)，取其中位数y₃₃，记做Y'₃，然后舍去y₁₁，加入y₆₆，取y₂₂,y₃₃,y₄₄,y₅₅,y₆₆的中位数Y'₄，……。依次类推到7个中位数，最后组成相邻5个数据的中位数序列{Y'_i}(i＝3,4，…10)；再用类似的方法从序列{X'_i}构成相邻三数据的中位数序列{Y″_i}(i＝4,5…8)；最后构成序列{Y″′_i}：Y″′_i＝(Y″_i-1/4)+(Y″_i/2)+(Y″_i+1/4)，(i＝5,6,7)令设定适当的数值△，若|y_i-Y″′_i|>△,则剔除y_i，并根据相邻数据平滑的假设，用内插值替代它，新插入的值y'_t＝y_t-T+(y_t-T-y_t-2T)，y_t为t时刻的采样点，y_t-T为y_t前一个采样点，将处理完的数据取其算术平均值作为估计波谷值。

004采用一阶滞后滤波算法补偿基准电压：

$Y_n=(1-\&PartialD;)y_n+\&PartialD;Y_{n-1}$

y_n是当次采样一周期之后所计算得到的估计波峰值或估计波谷值。

Y_n-1是上周期的滤波结果。

是滤波平滑系数；T_s是采样一个周期的时间，τ是滤波环节的时间常数，根据信号频率和纹波决定。

将Y_n的值作为新的基准电压的值。

005由于系统不需要实时更新基准电压，采用每5s钟读取一次Y_n的值，并更新为的基准电压。

Claims (3)

1.一种光电编码器精码零偏、幅值自适应补偿方法，其特征在于：所述方法的实现过程为：

光电编码器的光电信号通过A/D采样，对信号进行离散化；

采用递推平均滤波法对采样数据进行一次滤波，得到滤波后的序列；

在一个采样周期内对滤波后的序列采用冒泡法向上向下分别取得最大值和最小值；

对最大值和最小值用“中位数”的方法进行平滑估计得到估计波峰值和估计波谷值；

采用一阶滞后滤波算法计算得到修正后的基准电压值，设定为每5s钟读取一次修正后的基准电压值，并将其更新为用于比较的基准电压。

2.根据权利要求1所述的一种光电编码器精码零偏、幅值自适应补偿方法，其特征在于：对最大值和最小值用“中位数”的方法进行平滑估计得到估计波峰值和估计波谷值，其过程为：

在通过A/D采集的信号x(k)前后各取n个值构成2n+1个元素的序列{x(k)}＝{x₁,x₂,x₃,...,x_k,...x_2n+1}，取序列{x(k)}的前5个值从小到大排序，并将排序后的值赋给{x_ii}＝{x₁₁,x₂₂,x₃₃,x₄₄,x₅₅}，其中x₁₁<x₂₂<x₃₃<x₄₄<x₅₅，取其中位数x₃₃，记做X′₃，然后舍去x₁₁，加入x₆₆，取x₂₂,x₃₃,x₄₄,x₅₅,x₆₆的中位数X′₄，……；依次类推到2n-3个中位数，最后组成相邻5个数据的中位数序列{X′_i}(i＝3,4，…2n-1)；再用类似的方法从序列{X′_i}构成相邻三数据的中位数序列{X″_i}(i＝4,5…2n-2)；最后构成序列{X″′_i}：X″′_i＝(X″_i-1/4)+(X″_i/2)+(X″_i+1/4)，i＝5,6,7,…2n-3；令设定适当的数值Δ，若|x_i-X″′_i|>Δ,则剔除x_i，并根据相邻数据平滑的假设，用内插值替代x_i，新插入的值x′_t＝x_t-T+(x_t-T-x_t-2T)，x_t为t时刻的采样点，x_t-T为x_t前一个采样点，将处理完的数据取其算数平均值作为估计值。

3.根据权利要求1或2所述的一种光电编码器精码零偏、幅值自适应补偿方法，其特征在于：采用一阶滞后滤波算法计算得到修正后的电压值，以补偿基准电压，其过程为：

$Y_n=(1-\&PartialD;)y_n+\&PartialD;Y_{n-1};$

y_n是当次采样一周期之后所计算得到的估计波峰值或估计波谷值；

Y_n-1是上周期的滤波结果；

是滤波平滑系数；T_s是采样一个周期的时间，τ是滤波环节的时间常数，根据信号频率和纹波决定。