CN107528519B - 一种对电机编码器的通讯误码进行修正的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对电机编码器的通讯误码进行修正的方法及装置，该方法包括采集电机的实时转速，并根据所述转速选取编码器输出的相邻的位置数据的偏差阈值；根据编码器输出的当前位置数据、与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据及所述偏差阈值判断编码器是否存在通讯误码；当存在通讯误码时，基于所述前一个位置数据与所述偏差阈值确定编码器在其连续数据区间内的当前位置数据，基于编码器输出的位置数据的最小值或最大值与所述偏差阈值确定编码器在其非连续数据区间内的当前位置数据。该方法解决了实际应用中由于外界环境的可能的扰动而导致的通讯数据的误码问题，确保了编码器位置信号的实时有效性。

Description

一种对电机编码器的通讯误码进行修正的方法及装置

技术领域

本发明属于电机编码器领域，尤其涉及一种对电机编码器的通讯误码进行修正的方法及装置。

背景技术

位置编码器是用于检测电机位置信号的传感器件,广泛应用与电机定位控制中。位置编码器能够减轻电子接收设备的计算任务，从而省去复杂和昂贵的输入设备，降低系统的成本。

位置传感器一般通过通讯接口与电子接收设备相连接。通讯接口的类型主要包括同步串行串行SSI接口、并行接口、CANopen接口、Profibus接口、EtherNet接口等。由于编码器(发送端)与电子接收设备(接收端)之间采用各种接口进行通讯，难免会出现因通讯线路的扰动原因引起接收端位置数据解码出现数据误码现象，如果不能及时修正位置数据接收端存在的误码率问题，将影响后续的控制流程。

现有技术中已经存在一种针对改进编码器的机械结构、测量精度、编码方式等来修正数据的方式，这种方法主要通过在编码器原数据发送端进行误差修正的方法来解决误码问题，但是显然上述方法对于通讯过程中由于线路的扰动而产生数据误码问题作用甚微。还有一种利用接收端的电子接收设备(如DSP处理器)内置控制算法来修正和补偿编码器的位置偏差的方法，但这种修正方法主要采用预先内置的算法，无法响应现实中不同工况的变化要求，且由于内置的算法一般都比较复杂，难于满足电机控制的高实时性的需求。

综上，亟需一种能够响应实际的工况变化的对通讯数据的误码进行修正的方法以解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种能够响应实际的工况变化的对通讯数据的误码进行修正的方法。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种对电机编码器的通讯误码进行修正的方法，包括采集电机的实时转速，并根据所述转速选取编码器输出的相邻的位置数据的偏差阈值；根据编码器输出的当前位置数据、与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据及所述偏差阈值判断编码器是否存在通讯误码；当存在通讯误码时，基于所述前一个位置数据与所述偏差阈值确定编码器在其连续数据区间内的当前位置数据，基于编码器输出的位置数据的最小值或最大值与所述偏差阈值确定编码器在其非连续数据区间内的当前位置数据。

优选地，所述根据编码器输出的当前位置数据、与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据及所述偏差阈值判断编码器是否存在通讯误码，包括当编码器输出的当前位置数据及与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据的差值的绝对值小于等于所述偏差阈值时判断不存在通讯误码；当编码器输出的当前位置数据及与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据的差值的绝对值大于所述偏差阈值时判断存在通讯误码。

优选地，当存在通讯误码时，还包括：利用所述偏差阈值将编码器输出的数据区间划分为不同的区段；根据所述前一个位置数据所处的不同的区段确定编码器的当前位置数据。

优选地，所述根据所述前一个位置数据所处的不同的区段确定编码器的当前位置数据，包括：若所述前一个位置数据位于编码器输出的位置数据的最小值与所述偏差阈值的和值以及编码器输出的位置数据的最大值与所述偏差阈值的差值之间，则将所述前一个位置数据与所述偏差阈值的一半的和值确定为电机正转时编码器的当前位置数据；将所述前一个位置数据与所述偏差阈值的一半的差值确定为电机反转时编码器的当前位置数据。

优选地，所述根据所述前一个位置数据所处的不同的区段确定编码器的当前位置数据，包括：若所述前一个位置数据位于编码器输出的位置数据的最小值以及所述位置数据的最小值与所述偏差阈值的和值之间，则将所述前一个位置数据与所述偏差阈值的一半的和值确定为电机正转时编码器的当前位置数据；将所述位置数据的最大值与所述偏差阈值的一半的差值确定为电机反转时编码器的当前位置数据。

优选地，所述根据所述前一个位置数据所处的不同的区段确定编码器的当前位置数据，包括：若所述前一个位置数据位于编码器输出的位置数据的最大值与所述偏差阈值的差值以及编码器输出的位置数据的最大值之间，则将所述位置数据的最小值与所述偏差阈值的一半的和值确定为电机正转时编码器的当前位置数据；将所述前一个位置数据与所述偏差阈值的一半的差值确定为电机反转时编码器的当前位置数据。

所述根据所述转速选取编码器输出的相邻的位置数据的偏差阈值，包括：

根据如下表达式计算编码器的通讯更新时间内相邻位置信号数据变化的范围Δ：

其中，n为电机的转速，T为编码器的数据更新时间，N为编码器的精度；

根据如下表达式选取编码器输出的相邻的位置数据的偏差阈值thrld：

thrld＝Δ*(1.2～2)

其中，1.2～2为经验值设定区间。

本申请的实施例还提供了一种对电机编码器的通讯误码进行修正的装置，包括：偏差阈值选定模块，其采集电机的实时转速，并根据所述转速选取编码器输出的相邻的位置数据的偏差阈值；通讯误码判断模块，其根据编码器输出的当前位置数据、与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据及所述偏差阈值判断编码器是否存在通讯误码；通讯误码修正模块，其当存在通讯误码时，基于所述前一个位置数据与所述偏差阈值确定编码器在其连续数据区间内的当前位置数据，基于编码器输出的位置数据的最小值或最大值与所述偏差阈值确定编码器在其非连续数据区间内的当前位置数据。

优选地，所述通讯误码判断模块在判断编码器是否存在通讯误码时，当编码器输出的当前位置数据及与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据的差值的绝对值小于等于所述偏差阈值时判断不存在通讯误码；当编码器输出的当前位置数据及与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据的差值的绝对值大于所述偏差阈值时判断存在通讯误码。

优选地，所述通讯误码修正模块利用所述偏差阈值将编码器输出的数据区间划分为不同的区段，并根据所述前一个位置数据所处的不同的区段确定编码器的当前位置数据。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

通过利用偏差阈值判断编码器输出的位置数据中是否存在通讯误码以及对通讯误码进行实时修正，解决了实际应用中由于外界环境的可能的扰动而导致的通讯数据的误码问题，确保了编码器位置信号的实时有效性，避免了由于编码器位置数据解码错误而导致的电机控制失控问题，能够满足电机控制高精度、高可靠性高实时性需求。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为根据本发明一实施例的对电机编码器的通讯误码进行修正的方法的流程示意图；

图2为根据本发明另一实施例的利用FPGA对编码器输出的位置数据进行解码后得到的数据波形示意图；

图3为根据本发明又一实施例的对电机编码器的通讯误码进行修正的装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

图1为根据本发明实施例的对电机编码器的通讯误码进行修正的方法的流程示意图，如图所示，该方法包括：

步骤S110、采集电机的实时转速，并根据采集到的转速选取编码器输出的相邻的位置数据的偏差阈值。

步骤S120、根据编码器输出的当前位置数据、与该当前位置数据相邻的前一个位置数据及偏差阈值判断编码器是否存在通讯误码。

步骤S130、当存在通讯误码时，基于前一个位置数据与偏差阈值确定编码器在其连续数据区间内的当前位置数据，基于编码器输出的位置数据的最小值或最大值与偏差阈值确定编码器在其非连续数据区间内的当前位置数据。

设编码器的的采集精度为N，不同的编码器的采集精度可以根据其型号查取。根据采集精度N，编码器输出的位置数据的最小值和最大值分别为0和2^N-1。编码器实时检测电机机械轴的位置并输出位置数据，假设当电机正转时编码器输出的位置数据递增，从当前位置数据递增至最大值2^N-1，然后立即跳到最小值0再开始递增，依次循环。当电机反转时编码器输出的位置数据递减，从当前位置数据递减至最小值0，然后立即跳到最大值2^N-1开始递减，依次循环。也就是说，编码器输出的位置数据区间是不连续的曲线，在位置数据的最小值和最大值处不连续。

在步骤S110中，首先根据采集到的电机的实时转速选取编码器输出的相邻的位置数据的偏差阈值。一般电机控制需要速度编码器，而速度信号在短时间内(几个毫秒内)不会是一个突变的数据量，根据这个特点，利用电机转速、位置编码器精度N及位置编码器数据更新时间(通讯时间)计算出相邻位置数据的偏差阈值可以用来判断数据的有效性。

设定电机转速为n转/分钟，位置编码器数据更新时间为T秒，位置编码器精度为N，则根据表达式(1)可计算得出通讯更新时间T内相邻位置信号数据变化范围Δ：

根据表达式(2)选取编码器输出的相邻的位置数据的偏差阈值thrld：

thrld＝Δ*(1.2～2) (2)

式中，1.2～2为经验值设定区间，可根据实际需求进行设定，一般取1.5。

通过偏差阈值及数据处于不同区间来判断位置数据是否存在误码现象，偏差阈值即需要补偿的参数。当数据存在误码情况，通过参数补偿的方式可以还原贴近更真实的信号，避免因信号失真太严重导致电机失控，保证系统可靠性。

在多变的现场工况应用环境中，如果编码器输出的位置数据信号在通讯的过程中正常无干扰，则电子接收设备接收到的数据即为有效数据，将该有效数据作为解码后的编码器输出的当前位置数据即可。如果编码器输出的位置数据信号在通讯的过程中受到了扰动，则有可能产生数据错误，这时电子接收设备将接收到的数据解码后，在相邻的数据之间会存在较大的突变，可以利用这种相邻的位置数据之间的突变来判断编码器的通讯数据中是否存在误码。

具体的，在步骤S120中，当编码器输出的当前位置数据及与当前位置数据相邻的前一个位置数据的差值的绝对值小于等于偏差阈值时判断编码器的通讯数据不存在通讯误码。当编码器输出的当前位置数据及与当前位置数据相邻的前一个位置数据的差值的绝对值大于偏差阈值时判断编码器的通讯数据存在通讯误码，因此，需要对当前的位置数据进行修正。

接下来在步骤S130中，当判断存在通讯误码时，利用偏差阈值将编码器输出的数据区间划分为不同的区段，并根据前一个位置数据所处的不同的区段确定编码器的当前位置数据。

具体的，如果前一个位置数据所处的区段使得编码器输出的当前位置数据位于编码器的连续的数据区间，则基于前一个位置数据与偏差阈值确定编码器的当前位置数据。

假设该区段为[A,B]，其中，A为编码器输出的位置数据的最小值与偏差阈值的和值，B为编码器输出的位置数据的最大值与偏差阈值的差值，可以知道，若前一个位置数据位于上述区间内，则编码器输出的当前位置数据一定位于编码器的连续的数据区间内。所以当电机正转时(或编码器输出的位置数据递增时)，将前一个位置数据与偏差阈值的一半的和值确定为编码器的当前位置数据。当电机反转时(或编码器输出的位置数据递减时)，将前一个位置数据与偏差阈值的一半的差值确定为编码器的当前位置数据。

进一步地，如果前一个位置数据所处的区段使得编码器输出的当前位置数据位于编码器的非连续的数据区间，则基于编码器输出的位置数据的最小值或最大值与偏差阈值确定编码器的当前位置数据。

假设该区段为[A’,B’]，其中，A’为编码器输出的位置数据的最小值，B’为编码器输出的位置数据的最小值与偏差阈值的和值。可以知道，若前一个位置数据位于上述区间内，则当电机正转时(或编码器输出的位置数据递增时)，编码器输出的当前位置数据将位于编码器的连续的数据区间内，因此将前一个位置数据与偏差阈值的一半的和值确定为编码器的当前位置数据。当电机反转时(或编码器输出的位置数据递减时)，编码器输出的当前位置数据将在递减到位置数据的最小值后跳变到位置数据的最大值继续递减，即跨越了编码器的非连续的数据区间，此时，将位置数据的最大值与偏差阈值的一半的差值确定为编码器的当前位置数据。

假设该区段为[A”,B”]，其中，A”为编码器输出的位置数据的最大值与偏差阈值的差值，B”为编码器输出的位置数据的最大值。可以知道，若前一个位置数据位于上述区间内，则当电机反转时(或编码器输出的位置数据递减时)，编码器输出的当前位置数据将位于编码器的连续的数据区间内，因此将前一个位置数据与偏差阈值的一半的差值确定为编码器的当前位置数据。当电机正转时(或编码器输出的位置数据递增时)，编码器输出的当前位置数据将在递增到位置数据的最大值后跳变到位置数据的最小值继续递增，即跨越了编码器的非连续的数据区间，此时，将位置数据的最小值与偏差阈值的一半的和值确定为编码器的当前位置数据。

本发明实施例是一种针对通讯解码后的数据进行误差修正的方法，通过在数据接收端进行位置信号解码误差实时修正，解决了实际应用中由于外界环境的可能的扰动而导致的通讯数据的误码问题，确保了编码器位置信号的实时有效性，避免了由于编码器位置数据解码错误而导致的电机控制失控问题，能够满足电机控制高精度、高可靠性高实时性需求。

下面进一步公开了一种基于FPGA可编程序控制器件来实现上述修正方法的的实施例。

FPGA可编程序控制器件具有并行处理能力，采用高时钟晶振(如50MHz)。误差修正时间可控制在纳秒级，能够极大的满足电机控制高精度、高可靠性高实时性需求。

为了保证软件的通用化、系列化、模块化要求，编码器输出的位置数据的最大值MAX和相邻位置数据的偏差阈值(或步进值)Thrld由上位机主控器通过通讯介质(如光纤、RS485等)传输给FPGA，Thrld由MCU微控制器根据电机实时转速选定，MCU将确定的合适的相邻位置数据最大偏差阈值下发给FPGA，实现参数补偿。FPGA按照通讯协议进行配置参数解码接收，将配置参数存储在FPGA存储单元。

编码器输出的位置数据通过FPGA解码出来的波形为直角三角形锯齿波，如图2所示，图2中的各点的定义为，点A所表示的位置数据的值为MAX-Thrld，点B所表示的位置数据的值为Thrld。

编码器(数据发送端)与数据采集接收端(FPGA)之间均采用通讯接口进行通讯，因此需参照编码器规格说明书中通讯协议要求对编码器输出的位置数据信号进行数据解码，将解码后的编码器输出的当前位置数据存储为变量data_cur，相邻的前一个位置数据存储为变量data_pre。

设置变量data_posi来存储修正后的当前位置数据。如果编码器与FPGA之间的通讯数据未受到干扰，则data_posi中存储的即为FPGA接收到并解码后的编码器输出的当前位置数据。如果编码器与FPGA之间的通讯数据受到干扰，则

当data_pre处于数据段A～MAX之间时，如果|data_pre-data_cur|>Thrld时，data_posi＝Thrld/2(电机正转)或data_posi＝data_pre-(Thrld/2)(电机反转)，否则data_posi＝data_cur。

当data_pre处于数据段0～B之间时，如果|data_pre-data_cur|>Thrld时，data_posi＝data_pre+(Thrld/2)(电机正转)或data_posi＝MAX-(Thrld/2)(电机反转)，否则data_posi＝data_cur。

当data_pre处于数据段A～B之间时，如果|data_pre-data_cur|>Thrld时，data_posi＝data_pre±(Thrld/2)，否则data_posi＝data_cur。

本发明实施例的方法通过FPGA误差修正算法，确保修正后的位置数据接近于电机轴实际位置数据点，解决因位置信号数据失真导致电机控制算法失控，确保系统的稳定性和可靠性要求。

另一方面，由于绝大部分的微处理器(如DSP芯片)程序采用串行架构、加入算法控制后程序运行周期较长，位置数据读取的实时性会受到较大的影响，不适应高精度、高可靠性高实时性电机控制要求。而本发明实施例的方法可有效解决上述缺陷，同时也达到MCU算法控制芯片与FPGA数据采集芯片功能独立、专片专用及模块化通用化设计要求。

图3为根据本发明又一实施例的对电机编码器的通讯误码进行修正的装置的结构示意图，如图所示，该装置包括，

偏差阈值选定模块31执行前述实施例中步骤S110的操作，通讯误码判断模块32执行前述实施例中步骤S120的操作，通讯误码修正模块33执行前述实施例中步骤S130的操作。此处不再赘述。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种对电机编码器的通讯误码进行修正的方法，包括：

采集电机的实时转速，并根据所述转速选取编码器输出的相邻的位置数据的偏差阈值；

根据编码器输出的当前位置数据、与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据及所述偏差阈值判断编码器是否存在通讯误码；

当存在通讯误码时，基于所述前一个位置数据与所述偏差阈值确定编码器在其连续数据区间内的当前位置数据，基于编码器输出的位置数据的最小值或最大值与所述偏差阈值确定编码器在其非连续数据区间内的当前位置数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据编码器输出的当前位置数据、与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据及所述偏差阈值判断编码器是否存在通讯误码，包括：

当编码器输出的当前位置数据及与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据的差值的绝对值小于等于所述偏差阈值时判断不存在通讯误码；

当编码器输出的当前位置数据及与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据的差值的绝对值大于所述偏差阈值时判断存在通讯误码。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当存在通讯误码时，还包括：

利用所述偏差阈值将编码器输出的数据区间划分为不同的区段；

根据所述前一个位置数据所处的不同的区段确定编码器的当前位置数据。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述前一个位置数据所处的不同的区段确定编码器的当前位置数据，包括：

若所述前一个位置数据位于编码器输出的位置数据的最小值与所述偏差阈值的和值以及编码器输出的位置数据的最大值与所述偏差阈值的差值之间，则

将所述前一个位置数据与所述偏差阈值的一半的和值确定为电机正转时编码器的当前位置数据；

将所述前一个位置数据与所述偏差阈值的一半的差值确定为电机反转时编码器的当前位置数据。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述根据所述前一个位置数据所处的不同的区段确定编码器的当前位置数据，包括：

若所述前一个位置数据位于编码器输出的位置数据的最小值以及所述位置数据的最小值与所述偏差阈值的和值之间，则

将所述前一个位置数据与所述偏差阈值的一半的和值确定为电机正转时编码器的当前位置数据；

将所述位置数据的最大值与所述偏差阈值的一半的差值确定为电机反转时编码器的当前位置数据。

6.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述根据所述前一个位置数据所处的不同的区段确定编码器的当前位置数据，包括：

若所述前一个位置数据位于编码器输出的位置数据的最大值与所述偏差阈值的差值以及编码器输出的位置数据的最大值之间，则

将所述位置数据的最小值与所述偏差阈值的一半的和值确定为电机正转时编码器的当前位置数据；

将所述前一个位置数据与所述偏差阈值的一半的差值确定为电机反转时编码器的当前位置数据。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述转速选取编码器输出的相邻的位置数据的偏差阈值，包括：

根据如下表达式计算编码器的通讯更新时间内相邻位置信号数据变化的范围Δ：

其中，n为电机的转速，T为编码器的数据更新时间，N为编码器的精度；

根据如下表达式选取编码器输出的相邻的位置数据的偏差阈值thrld：

thrld＝Δ*(1.2～2)

其中，1.2～2为经验值设定区间。

8.一种对电机编码器的通讯误码进行修正的装置，包括：

偏差阈值选定模块，其采集电机的实时转速，并根据所述转速选取编码器输出的相邻的位置数据的偏差阈值；

通讯误码判断模块，其根据编码器输出的当前位置数据、与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据及所述偏差阈值判断编码器是否存在通讯误码；

通讯误码修正模块，其当存在通讯误码时，基于所述前一个位置数据与所述偏差阈值确定编码器在其连续数据区间内的当前位置数据，基于编码器输出的位置数据的最小值或最大值与所述偏差阈值确定编码器在其非连续数据区间内的当前位置数据。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述通讯误码判断模块在判断编码器是否存在通讯误码时，

当编码器输出的当前位置数据及与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据的差值的绝对值小于等于所述偏差阈值时判断不存在通讯误码；

当编码器输出的当前位置数据及与所述当前位置数据相邻的前一个位置数据的差值的绝对值大于所述偏差阈值时判断存在通讯误码。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述通讯误码修正模块利用所述偏差阈值将编码器输出的数据区间划分为不同的区段，并根据所述前一个位置数据所处的不同的区段确定编码器的当前位置数据。