CN108759878A - 一种绝对式编码器、电机控制方法及相关组件 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种绝对式编码器，所述绝对式编码器包括通过联轴器与被测量机械转轴相连的编码滚筒；其中，所述编码滚筒的外侧壁上划有用于指示所述编码滚筒转动角度的码道；通过编码器狭缝采集所述编码滚筒的外侧壁图像的图像采集器；其中，所述编码器狭缝与所述编码滚筒的轴线平行；与所述图像采集器连接，用于根据所述外侧壁图像确定所述被测量机械转轴的转动角度的角度识别装置。该绝对式编码器能够避免编码器在测量过程中径向跳动带来的读数误差，提高编码器的测量准确率。本申请还公开了一种电机控制方法、一种计算机可读存储介质及一种电机控制装置，具有以上有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及工控技术领域，特别涉及一种绝对式编码器、一种电机控制方法、一种电机控制装置及一种计算机可读存储介质。
背景技术
编码器主要应用在工控领域的角度位置测量。伴随着工控脚步的跨越式前进，机械手臂、大行程位移测控装置等相应的工厂设备对旋转设备的要求更加苛刻。伺服驱动系统中大都使用编码器作为检测位置的传感器，因此编码器的精度决定了伺服系统的静态指标。在编码器的生产研发过程中，不仅要提高编码器的性能，也要控制成本关注产品的经济性。目前，使用最多的编码器种类为光电编码器。光电编码器分为增量式和绝对式两种，其中，绝对式编码器得到越来越广泛地应用。
现有技术中的编码器的码盘上划分有N个等角的扇形区间，每一所述扇形区间进一步沿径向划分为用于指示该扇形区间在N个扇形区间中排列次序n的位置标定区间以及用于进一步指示精确角度的格雷码道区间。但是，上述这种编码器码的盘的码道都刻划在玻璃等材料上，而电机在运行过程中，不可避免地会产生一定的径向跳动，从而可能造成码道出现微小位移，进而导致出现编码器读数错误的问题。
因此，如何避免编码器在测量过程中径向跳动带来的读数误差，提高编码器的测量准确率是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种绝对式编码器、一种电机控制方法、一种电机控制装置及一种计算机可读存储介质，能够避免编码器在测量过程中径向跳动带来的读数误差，提高编码器的测量准确率。
为解决上述技术问题，本申请提供一种绝对式编码器，该绝对式编码器包括：
通过联轴器与被测量机械转轴相连的编码滚筒；其中，所述编码滚筒的外侧壁上划有用于指示所述编码滚筒转动角度的码道；
通过编码器狭缝采集所述编码滚筒的外侧壁图像的图像采集器；其中，所述编码器狭缝与所述编码滚筒的轴线平行；
与所述图像采集器连接，用于根据所述外侧壁图像确定所述被测量机械转轴的转动角度的角度识别装置。
可选的，所述角度识别装置具体为利用机器视觉技术识别所述外侧壁图像中的码道信息并根据所述码道信息确定所述被测量机械转轴的转动角度的处理电路。
可选的，所述码道包括：
将所述外侧壁沿转动方向划分为预设数量个角度区间的第一子码道；
沿所述转动方向周期分布的第二子码道；其中，所述第二子码道的二分之一个周期对应的弧长大于或等于任一所述角度区间对应的弧长。
可选的，所述第一子码道具体为预设数量个沿所述转动方向呈阶梯状分布的子码道。
可选的，所述第二子码道具体为具有三角波函数或正弦函数形状的子码道。
可选的，所述图像采集器包括：
位于所述编码器狭缝正后方，将通过编码器狭缝采集编码滚筒的图像进行光学放大得到外侧壁图像的镜头；
与所述镜头相连，用于采集所述外侧壁图像的工业相机。
可选的，所述码道的宽度为1微米。
本申请还提供了一种电机控制方法，该电机控制方法包括：
通过所述绝对式编码器采集当前周期编码滚筒的第一外侧壁图像和上一周期所述编码滚筒的第二外侧壁图像；其中，所述编码滚筒通过联轴器与被测量机械转轴相连；
对所述第一外侧壁图像和所述第二外侧壁图像进行图像处理操作，并根据图像处理结果确定所述第一外侧壁图像与所述第二外侧壁图像之间的中心距离；
根据所述中心距离确定所述编码滚筒的转动角度并根据所述转动角度控制电机。
本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时实现上述电机控制方法执行的步骤。
本申请还提供了一种电机控制装置，包括上述任一一种绝对式编码器、存储器、处理器和伺服电机驱动器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现上述电机控制方法执行的步骤，所述伺服电机驱动器用于根据转动角度生成电机控制指令。
本发明提供了一种绝对式编码器，包括通过联轴器与被测量机械转轴相连的编码滚筒；其中，所述编码滚筒的外侧壁上划有用于指示所述编码滚筒转动角度的码道；通过编码器狭缝采集所述编码滚筒的外侧壁图像的图像采集器；其中，所述编码器狭缝与所述编码滚筒的轴线平行；与所述图像采集器连接，用于根据所述外侧壁图像确定所述被测量机械转轴的转动角度的角度识别装置。
由于被测量机械在带动编码滚筒的转动过程中，不可避免的会存在径向跳动的现象，而现有技术中是通过光电读数头读取在径向平面刻划的码道的信息进而获得编码滚筒的转动角度，但是由于径向跳动的存在将会导致光电读数头读取的码道存在偏移，严重影响了转动角度读取的准确程度。为了避免径向跳动对编码器带来的读数误差，本申请将原来划在编码滚筒端面的码道改为划在编码滚筒侧壁的码道，由于编码滚筒侧壁与径向跳动的方向是相互垂直的，因此在编码滚筒外侧壁上划有码道，在采集编码滚筒外侧壁图像时就能够消除径向跳动对于转动角度侧测量精度。本方案能够避免编码器在测量过程中径向跳动带来的读数误差，提高编码器的测量准确率。本申请同时还提供了一种电机控制方法、一种电机控制装置及一种计算机可读存储介质，具有上述有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种绝对式编码器的结构示意图；
图2为一种优选的绝对式编码器的编码滚筒结构示意图；
图3为一种优选的绝对式编码器的编码滚筒的外侧壁展开图；
图4为本申请实施例所提供的一种绝对式编码器的转配图；
图5为本申请实施例所提供的一种绝对式编码器的侧视图；
图6为本申请实施例所提供的电机控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种编码器的结构示意图。
具体结构可以包括：
通过联轴器(图中未示出)与被测量机械转轴相连的编码滚筒200；其中，所述编码滚筒200的外侧壁上划有用于指示所述编码滚筒转动角度的码道；
通过编码器狭缝(图中未示出)采集编码滚筒的外侧壁图像并根据所述外侧壁图像确定所述被测量机械转轴的转动角度的图像采集器100；其中，编码器狭缝与编码滚筒200的轴线平行。
其中，本实施例中的编码滚筒200外侧壁的沿轴线方向投影为圆形，编码滚筒200通过联轴器与被测量机械的转轴相连，即被测量机械带动编码滚筒200转动，且编码滚筒200的轴线与被测量机械的轴线重合，因此编码滚筒转动的角度就是被测量机械转动的角度。联轴器指联接两轴或轴与回转件，使其在传递运动和动力过程中一同回转不脱开的一种装置
可以理解的是，在编码滚筒200的转动过程中滚筒的上下两个端面和滚筒的外侧壁都会随之转动，现有技术就是来采集编码滚筒的上端面或下端面的图像的码道信息来确定的转动角度，但是采集上下两个端面图像的码道信息会存在径向跳动的带来的误差，这就是现有技术中的编码器测量误差较大的根本原因。本申请中的编码滚筒的码道并不是划在滚筒的上下两个端面上的而是划在滚筒的外侧壁上的，此处不限定划在滚筒外侧壁的码道的构成和形状，只要能够指示所述编码滚筒转动角度即可。
需要说明的是，编码器狭缝的作用为把采集角度位置的编码信息限制在一个特定的区域，使得图像采集器100能够采集某个特定区域的外侧壁图像。在编码器的实际结构中，编码器狭缝位于图像采集器100与编码滚筒200之间，且编码器狭缝为一条狭长的可以透过光的通道，编码器狭缝的的长度方向与编码滚筒200的轴线平行。作为一种优选的实施方式，可以在狭缝与编码滚筒200之间设置适当亮度的光源，便于图像采集器100对外侧壁图像中的编码信息的采集提供合适的亮度环境。
由于被测量机械在带动编码滚筒的转动过程中，不可避免的会存在径向跳动的现象，而现有技术中是通过光电读数头读取在径向平面刻划的码道的信息进而获得编码滚筒的转动角度，但是由于径向跳动的存在将会导致光电读数头读取的码道存在偏移，严重影响了转动角度读取的准确程度。为了避免径向跳动对编码器带来的读数误差，本实施例将原来划在编码滚筒端面的码道改为划在编码滚筒侧壁的码道，由于编码滚筒侧壁与径向跳动的方向是相互垂直的，因此在编码滚筒外侧壁上划有码道，在采集编码滚筒外侧壁图像时就能够消除径向跳动对于转动角度侧测量精度。本实施例能够避免编码器在测量过程中径向跳动带来的读数误差，提高编码器的测量准确率。
与所述图像采集器100连接，用于根据所述外侧壁图像确定所述被测量机械转轴的转动角度的角度识别装置300。
进一步的，该角度识别装置具体为利用机器视觉技术识别所述外侧壁图像中的码道信息并根据所述码道信息确定所述被测量机械转轴的转动角度的处理电路。
进一步的，本实施例中的码道包括：
将外侧壁沿转动方向划分为预设数量个角度区间的第一子码道；
沿所述转动方向周期分布的第二子码道；其中，所述第二子码道的二分之一个周期对应的弧长大于或等于任一所述角度区间对应的弧长。
其中，为了方便对图像采集器100采集的外侧壁图像进行角度换算，可以设置第一子码道将编码滚筒外侧壁划分为预设数量个角度区间，再设置第二子码道用于指示每个角度区间中的具体角度值。由于第二子码道是沿编码滚筒200的转动方向周期分布的，且第二子码道的二分之一个周期对应的弧长大于或等于任一所述角度区间对应的弧长，因此在编码滚筒转动任意角度时图像采集器100所采集的外侧壁图像都有与其一一对应的角度。且周期分布的第二子码道形状对应的周期函数为连续的周期函数，不存在断点。
请参见图2、图3，图2为一种优选的绝对式编码器的编码滚筒结构示意图，图3为一种优选的绝对式编码器的编码滚筒的外侧壁展开图，下面通过更为具体的实施例来说明上述第一子码道和第二子码道的设置；
在图2中码道包括：将所述外侧壁沿转动方向划分为预设数量个角度区间的第一子码道和沿所述转动方向周期分布的第二子码道；其中，所述第二子码道的二分之一个周期对应的弧长大于或等于任一所述角度区间对应的弧长。
进一步的，所述第一子码道具体为预设数量个沿所述转动方向呈阶梯状分布的子码道。
进一步的，所述第二子码道具体为具有三角波函数或正弦函数形状的子码道。
当第一子码道将编码滚筒200的外侧壁沿转动方向平均划分为8个角度区间，第二子码道为三角波函数形状的码道，且该三角波函数的一个周期对应的长度为两个角度区间对应的长度。即，图中A代表的角度位置为0°，B代表的位置为45°，C代表的角度为止为90°，以此类推。对于这种情况，译码原则：区域4为图像采集器采集的外侧壁图像，需要说明的是，编码滚筒200上还应该刻有便于进行零点标定的刻线方便进行距离计算，如图中标注的标零刻线，在本区域4对应的图像中先自下往上找到第一点，此点为零点；接着判断划分扇区的编码区域(即图2中的区域1)，判断x，y，z所在的区域是否单色区域，从而判断当时角度位置所在的扇区；最后，自下往上查找第二点，根据此点的中心位置以计算出确切的角度位置。角度位置的计算公式：奇数扇数的角度位置计算公式为偶数扇数角度位置计算公式为其中，S扇区总数，P表示为第P扇区，d表示滚筒直径，k表示第一扇区斜线的斜率，a为图2中标注的距离。
进一步的实施例中的码道(包括第一子码道和第二子码道)可以刻制线宽为1微米的线条，而且机器视觉技术可以识别出来这种宽度的线条，假如一个编码器的滚筒直径为42毫米，斜线的斜率为2，故它的分辨率为：360/(42*3.141592653*2/0.001)＝360/263893＝4.91″；而现有一般技术的绝对式编码器通常为14位的分辨率，就是360/2^14＝79″，从而得知本实施例还可以显著提高编码器的分辨率；而且斜率越大，滚筒直径越大，编码器的分辨率越高。
请参见图4、图5，图4为本申请实施例所提供的一种绝对式编码器的转配图；图5为本申请实施例所提供的一种绝对式编码器的侧视图；图4中未示出与工业相机连接的角度识别装置300。
进一步的，所述图像采集器100包括：
位于所述编码器狭缝正后方，将通过编码器狭缝采集编码滚筒的图像进行光学放大得到外侧壁图像的镜头101；
与所述镜头相连，用于采集所述外侧壁图像并根据所述外侧壁图像确定所述被测量机械转轴的转动角度的工业相机102。此处的工业相机是指不包括镜头的相机机身。
可以通过机器视觉技术识别外侧壁图像中关于码道分布位置的信息确定机械转轴具体的转动角度。
请参见图6，图6为本申请实施例所提供的电机控制方法的流程图，该方法可以应用于上面描述的任意一种绝对式编码器。
具体步骤可以包括：
S101：通过所述绝对式编码器采集当前周期编码滚筒的第一外侧壁图像和上一周期所述编码滚筒的第二外侧壁图像；其中，所述编码滚筒通过联轴器与被测量机械转轴相连；
S102：对所述第一外侧壁图像和所述第二外侧壁图像进行图像处理操作，并根据图像处理结果确定所述第一外侧壁图像与所述第二外侧壁图像之间的中心距离；
S103：根据所述中心距离确定所述编码滚筒的转动角度并根据所述转动角度控制电机。
其中，根据中心距离来计算编码滚筒的具体转动角度的方法是根据马岛的具体形状是设定的。若编码滚筒上码道如图2中一样设置且当第一子码道将编码滚筒200的外侧壁沿转动方向平均划分为8个角度区间，第二子码道为三角波函数形状的码道，且该三角波函数的一个周期对应的长度为两个角度区间对应的长度。
那么译码原则为：先自下往上找到第一点，此点为零点；接着判断划分扇区的编码区域(即图2中的区域1)，判断x，y，z所在的区域是否单色区域，从而判断当时角度位置所在的扇区；最后，自下往上查找第二点，根据此点的中心位置以计算出确切的角度位置。角度位置的计算公式：奇数扇数的角度位置计算公式为偶数扇数角度位置计算公式为其中，S扇区总数，P表示为第P扇区，d表示滚筒直径，k表示第一扇区斜线的斜率，a为图2中标注的距离。
本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请还提供了一种电机控制装置，可以包括上述任意一种绝对是编码器、存储器、处理器和伺服电机驱动器，所述存储器中存有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时，可以实现上述实施例所提供的步骤，伺服电机驱动器根据转动角度生成电机控制指令。当然所述电机控制装置还可以包括各种网络接口，电源等组件。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.一种绝对式编码器，其特征在于，包括：
通过联轴器与被测量机械转轴相连的编码滚筒；其中，所述编码滚筒的外侧壁上划有用于指示所述编码滚筒转动角度的码道；
通过编码器狭缝采集所述编码滚筒的外侧壁图像的图像采集器；其中，所述编码器狭缝与所述编码滚筒的轴线平行；
与所述图像采集器连接，用于根据所述外侧壁图像确定所述被测量机械转轴的转动角度的角度识别装置。
2.根据权利要求1所述绝对式编码器，其特征在于，所述角度识别装置具体为利用机器视觉技术识别所述外侧壁图像中的码道信息并根据所述码道信息确定所述被测量机械转轴的转动角度的处理电路。
3.根据权利要求1所述绝对式编码器，其特征在于，所述码道包括：
将所述外侧壁沿转动方向划分为预设数量个角度区间的第一子码道；
沿所述转动方向周期分布的第二子码道；其中，所述第二子码道的二分之一个周期对应的弧长大于或等于任一所述角度区间对应的弧长。
4.根据权利要求3所述绝对式编码器，其特征在于，所述第一子码道具体为预设数量个沿所述转动方向呈阶梯状分布的子码道。
5.根据权利要求3所述绝对是编码器，其特征在于，所述第二子码道具体为具有三角波函数或正弦函数形状的子码道。
6.根据权利要求1所述绝对式编码器，其特征在于，所述图像采集器包括：
位于所述编码器狭缝正后方，将通过编码器狭缝采集编码滚筒的图像进行光学放大得到外侧壁图像的镜头；
与所述镜头相连，用于采集所述外侧壁图像的工业相机。
7.根据权利要求1所述绝对式新编码器，其特征在于，所述码道的宽度为1微米。
8.一种电机控制方法，应用于权利要求1至7任一项所述绝对式编码器，其特征在于，所述电机控制方法包括：
通过所述绝对式编码器采集当前周期编码滚筒的第一外侧壁图像和上一周期所述编码滚筒的第二外侧壁图像；其中，所述编码滚筒通过联轴器与被测量机械转轴相连；
对所述第一外侧壁图像和所述第二外侧壁图像进行图像处理操作，并根据图像处理结果确定所述第一外侧壁图像与所述第二外侧壁图像之间的中心距离；
根据所述中心距离确定所述编码滚筒的转动角度并根据所述转动角度控制电机。
9.一种电机控制装置，其特征在于，包括：
如权利要求1至7任一项所述绝对式编码器；
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时执行如权利要求8所述的电机控制方法的步骤；
伺服电机驱动器，用于根据转动角度生成电机控制指令。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求8所述的电机控制方法的步骤。
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