CN108777578A - 一种编码器信号采样方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出一种编码器信号采样方法及装置，涉及伺服控制技术领域。该方法及装置通过获取编码器的数据频率，并依据数据频率确定时钟频率，然后基于时钟频率生成高频时钟信号，接着以高频时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号，最后利用处理器基于预设定的算法对采样信号进行去噪处理；利用高频时钟信号对编码器输入信号进行采样，从而获得更多的采样点，以此获得足够多的信号样本来进行后续的数据分析、去噪处理，由于在高频时钟信号的作用下，信号样本中有效信号明显比噪音信号的占比更大，因此噪音信号对采样信号的影响便更小，从而保证了采样信号的准确性。

Description

一种编码器信号采样方法及装置

技术领域

本发明涉及伺服控制技术领域，具体而言，涉及一种编码器信号采样方法及装置。

背景技术

工业自动化应用中电机的使用是必不可少的，尤其随着工业4.0以及国家扶持制造业的崛起。绝对值编码器不管在生产车间的电机系统还是工业机器人中的电机系统都被广泛应用。

绝对值编码器信号在采集过程中，现有的技术通常都是使用逻辑芯片按照特定的节拍，固定的通讯时钟沿直接对信号进行单次的采集，然后将采集到的信号进行循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)判断，发现CRC没错时则将采集到的位置反馈给位置环进行对应的环路控制。但目前逻辑芯片在对编码器信号进行采样时，由于编码器信号对于逻辑芯片来说是异步采样信号，且在工业现场离往往存在各种干扰，导致逻辑芯片在采样编码器输入信号时往往出现采样错误，误将噪声信号当做有效数据，从而导致无法通过CRC校验，无法实现绝对值编码器位置信息的实时更新，最终导致无法精确控制电机的运动，给环路控制带来不稳定性或大大降低了系统的性能指标。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种编码器信号采样方法及装置，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种编码器信号采样方法，所述编码器信号采样方法包括：

获取编码器的数据频率；

依据所述数据频率确定时钟频率；

基于所述时钟频率生成高频时钟信号；

以所述高频时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号；

基于预设定的算法对所述采样信号进行去噪处理。

进一步地，所述基于预设定的算法对所述采样信号进行去噪处理的步骤包括：

确定所述采样信号的多个有效时间及每个有效时间内的有效电平；有效时间

当在所述有效时间内有效电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为有效电平。

进一步地，所述当在所述有效时间内有效电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为有效电平的步骤包括：

当在所述有效时间内高电平有效且高电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为高电平；

当在所述有效时间内低电平有效且低电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为低电平。

进一步地，所述预设定的阈值大于或等于70％。

进一步地，所述依据所述数据频率确定时钟频率的步骤包括：

将所述数据频率与预设定的系数的乘积确定为所述时钟频率。

第二方面，本发明实施例还提供了一种编码器信号采样装置，所述编码器信号采样装置包括：

参数获取单元，用于获取编码器的数据频率；

时钟频率确定单元，用于依据所述数据频率确定时钟频率；

信号生成单元，用于基于所述时钟频率生成高频时钟信号；

采样单元，用于以所述高频时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号；

去噪单元，用于基于预设定的算法对所述采样信号进行去噪处理。

进一步地，所述去噪单元用于确定所述采样信号的多个有效时间及每个有效时间内的有效电平；

所述去噪单元还用于当在所述有效时间内有效电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为有效电平。

进一步地，所述去噪单元还用于当在所述有效时间内高电平有效且高电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为高电平；

所述去噪单元还用于当在所述有效时间内低电平有效且低电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为低电平。

进一步地，所述预设定的阈值大于或等于70％。

进一步地，所述时钟频率确定单元用于将所述数据频率与预设定的系数的乘积确定为所述时钟频率。

本发明实施例提供的编码器信号采样方法及装置，通过获取编码器的数据频率，并依据数据频率确定时钟频率，然后基于时钟频率生成高频时钟信号，接着以高频时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号，最后利用处理器基于预设定的算法对采样信号进行去噪处理；利用高频时钟信号对编码器输入信号进行采样，从而获得更多的采样点，以此获得足够多的信号样本来进行后续的数据分析、去噪处理，由于在高频时钟信号的作用下，信号样本中有效信号明显比噪音信号的占比更大，因此噪音信号对采样信号的影响便更小，从而保证了采样信号的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的编码器信号采样方法的流程图。

图2示出了以普通时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号的采样图。

图3示出了以高频时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号的采样图。

图4示出了为图1中步骤S105的具体流程图。

图5示出了采样信号进行去噪处理前后的波形图。

图6示出了本发明实施例提供的编码器信号采样装置的功能模块图。

图标：100-编码器信号采样装置；110-参数获取单元；120-时钟频率确定单元；130-信号生成单元；140-采样单元；150-去噪单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“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。在没有更多限制的情况下，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。

第一实施例

本发明实施例提供了一种编码器信号采样方法，应用于一与编码器电连接的现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Arra，FPGA)或是复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)。该编码器信号采样方法用于滤除干扰噪声，提高对编码器输入信号的采样的准确性。请参阅图1，为本发明实施例提供的编码器信号采样方法的流程图。该编码器信号采样方法包括：

步骤S101：获取编码器的数据频率。

需要说明的是，该数据频率是指编码器的输出频率。与编码器每转产生的脉冲数或编码器的通讯协议有关。

步骤S102：依据数据频率确定时钟频率。

具体地，将数据频率与预设定的系数的乘积确定为时钟频率。

需要说明的是，该时钟频率应当远远大于数据频率，才能获得更多的采样点。

具体地，该时钟频率至少应当为数据频率的20倍以上，才能保证后续采样时，获得足够的采样点，尽可能还原编码器输入信号。

在一种优选的实施例中，该预设定的系数为50。

步骤S103：基于时钟频率生成高频时钟信号。

可以理解地，该高频时钟信号由FPGA内部的锁相环(phase lockedloop，PLL)产生。锁相环是一种利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪的电路。

步骤S104：以高频时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号。

请参阅图2，为以普通时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号的采样图。

请参阅图3为以高频时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号的采样图。

其中，X1为普通时钟信号，X2高频时钟信号，Y1为编码器输入信号，Y2为采样信号。

可以理解地，通过图2与图3中的采样信号对比可得，利用高频时钟信号对编码器输入信号进行采样，具有更多的采样点，具有足够的样本信号，同时获得的采样信号也更接近编码器输入信号。例如，图2中，t1段波形，则由于普通时钟信号的频率过大，导致了获得的采样信号与编码器输入信号完全不一致，出现错误。

步骤S105：利用处理器基于预设定的算法对采样信号进行去噪处理。

请参阅图4，为步骤S105的具体流程图。该步骤S105包括：

子步骤S1051：确定所述采样信号的多个有效时间及每个有效时间内的有效电平及每个有效时间内的有效电平。

需要说明的是，该有效时间是指采样信号内，编码器数据有效的时间。

例如，编码器的通讯速率为2.5MHz(400ns)，那么有效时间则等于400ns。

需要说明的是，该有效电平是采样信号中，除由噪声产生的电平以外的其他电平。该有效电平可以是高电平也可以为低电平。

子步骤S1052：判断在有效时间内有效电平的占比是否大于或等于预设定的阈值，如果是，则执行子步骤S1053。

具体地，当在有效时间内高电平有效时，判断高电平的占比是否大于或等于预设定的阈值，如果是，则执行子步骤S1053。

当在有效时间内低电平有效时，判断低电平的占比是否大于或等于预设定的阈值，如果是，则执行子步骤S1053。

子步骤S1053：确定有效时间内采样信号为有效电平。

当在有效时间内有效电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定有效时间内采样信号为有效电平。

具体地，当在有效时间内高电平有效且高电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定有效时间内采样信号为高电平。

当在有效时间内低电平有效且低电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定有效时间内采样信号为低电平。

需要说明的是，该预设定的阈值应当大于或等于70％。

以图5为例，图5示出了采样信号进行去噪处理前后的波形图。其中，Y2为采样信号，Y3为进行去噪处理后的采样信号，t2段以及t3段均为噪音信号。

由于采样信号的采样点足够多，而噪音信号通常是在IGBT模块的MOS管关断的时候产生，从而噪音信号能影响的采样点是非常少的，接着利用子步骤S1051～子步骤S1054所提供的方法，将占比很少的噪音信号滤除，而保证了采样信号的准确性。

第二实施例

请参阅图6，图6为本发明较佳实施例提供的一种编码器信号采样装置100的功能模块图。需要说明的是，本实施例所提供的编码器信号采样装置100，其基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。该编码器信号采样装置100包括参数获取单元110、时钟频率确定单元120、信号生成单元130、采样单元140以及去噪单元150。

其中，参数获取单元110用于获取编码器的数据频率。

可以理解地，在一种优选的实施例中，该参数获取单元110可用于执行步骤S101。

时钟频率确定单元120用于依据数据频率确定时钟频率。

具体地，将数据频率与预设定的系数的乘积确定为时钟频率。

可以理解地，在一种优选的实施例中，该时钟频率确定单元120可用于执行步骤S102。

信号生成单元130用于基于时钟频率生成高频时钟信号。

可以理解地，在一种优选的实施例中，该信号生成单元130可用于执行步骤S103。

采样单元140用于以高频时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号。

可以理解地，在一种优选的实施例中，该采样单元140可用于执行步骤S104。

去噪单元150用于利用处理器基于预设定的算法对采样信号进行去噪处理。

其中，去噪单元150用于确定采样信号的多个有效时间及每个有效时间内的有效电平。。去噪单元150还用于判断在有效时间内有效电平的占比是否大于或等于预设定的阈值，以及用于当在有效时间内有效电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定有效时间内采样信号为有效电平。

具体地，去噪单元150还用于当在有效时间内高电平有效时，判断高电平的占比是否大于或等于预设定的阈值，如果是，则确定有效时间内采样信号为高电平。

去噪单元150还用于当在有效时间内低电平有效时，判断低电平的占比是否大于或等于预设定的阈值，如果是，确定有效时间内采样信号为低电平。

可以理解地，在一种优选的实施例中，该去噪单元150可用于执行步骤S105。

综上所述，本发明实施例提供的编码器信号采样方法及装置，通过获取编码器的数据频率，并依据数据频率确定时钟频率，然后基于时钟频率生成高频时钟信号，接着以高频时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号，最后利用处理器基于预设定的算法对采样信号进行去噪处理；利用高频时钟信号对编码器输入信号进行采样，从而获得更多的采样点，以此获得足够多的信号样本来进行后续的数据分析、去噪处理，由于在高频时钟信号的作用下，信号样本中有效信号明显比噪音信号的占比更大，因此噪音信号对采样信号的影响便更小，从而保证了采样信号的准确性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种编码器信号采样方法，其特征在于，所述编码器信号采样方法包括：

获取编码器的数据频率；

依据所述数据频率确定时钟频率；

基于所述时钟频率生成高频时钟信号；

以所述高频时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号；

基于预设定的算法对所述采样信号进行去噪处理。

2.根据权利要求1所述的编码器信号采样方法，其特征在于，所述基于预设定的算法对所述采样信号进行去噪处理的步骤包括：

确定所述采样信号的多个有效时间及每个有效时间内的有效电平；

当在所述有效时间内有效电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为所述有效电平。

3.根据权利要求2所述的编码器信号采样方法，其特征在于，所述当在所述有效时间内有效电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为有效电平的步骤包括：

当在所述有效时间内高电平有效且高电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为高电平；

当在所述有效时间内低电平有效且低电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为低电平。

4.根据权利要求3所述的编码器信号采样方法，其特征在于，所述预设定的阈值大于或等于70％。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的编码器信号采样方法，其特征在于，所述依据所述数据频率确定时钟频率的步骤包括：

将所述数据频率与预设定的系数的乘积确定为所述时钟频率。

6.一种编码器信号采样装置，其特征在于，所述编码器信号采样装置包括：

参数获取单元，用于获取编码器的数据频率；

时钟频率确定单元，用于依据所述数据频率确定时钟频率；

信号生成单元，用于基于所述时钟频率生成高频时钟信号；

采样单元，用于以所述高频时钟信号为基准对编码器输入信号进行采样以获得采样信号；

去噪单元，用于基于预设定的算法对所述采样信号进行去噪处理。

7.根据权利要求6所述的编码器信号采样装置，其特征在于，所述去噪单元用于确定所述采样信号的多个有效时间及每个有效时间内的有效电平；

所述去噪单元还用于当在所述有效时间内有效电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为有效电平。

8.根据权利要求7所述的编码器信号采样装置，其特征在于，所述去噪单元还用于当在所述有效时间内高电平有效且高电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为高电平；

所述去噪单元还用于当在所述有效时间内低电平有效且低电平的占比大于或等于预设定的阈值时，确定所述有效时间内所述采样信号为低电平。

9.根据权利要求8所述的编码器信号采样装置，其特征在于，所述预设定的阈值大于或等于70％。

10.根据权利要求6-9中任意一项所述的编码器信号采样装置，其特征在于，所述时钟频率确定单元用于将所述数据频率与预设定的系数的乘积确定为所述时钟频率。