CN109696187B - 旋转编码器偏心校正装置 - Google Patents

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    • G01D5/24471—Error correction

Abstract

本发明涉及旋转编码器偏心校正装置，包含控制器，根据使用者预设定旋转电机的转速产生伺服速度命令；伺服驱动器，与控制器讯号连接，将伺服速度命令转化为一电流控制命令以控制旋转电机产生的转速；旋转编码器，与旋转电机电性连接，量测旋转电机的运转轴心后产生一速度回授，并将速度回授传至伺服驱动器及控制器；控制器接收速度回授，根据伺服速度命令产生一速度误差，其中速度误差的误差模型为一正弦波，控制器根据速度误差计算一位置偏心误差，并将其位置偏心误差作为一校正表使旋转编码器根据校正表进行偏心自我校正。能实时提升旋转电机运转时的精度，使旋转电机有较好的运转质量。

Description

旋转编码器偏心校正装置
技术领域
本发明涉及一种旋转编码器，尤其涉及一种具有偏心校正功能的旋转编码器。
背景技术
旋转编码器要具备良好的精度，不外乎精准的感测原理选定、良好的硬件、软件设计与高度重复性的量产制造。然而，即使上述皆由供货商保证，旋转编码器依旧会因为现场安装造成的偏心误差(error)致使精度不如预期。所谓安装偏心误差的阐述如下所述，并请一并参考图1。如图1，旋转编码器配置示意图。其中，伺服驱动器100会驱动旋转电机101运转，旋转编码器102会实时(in time)的补偿旋转电机101的位置与转速以供伺服驱动器100在下一时间驱动讯号发出的参考。然而，由于旋转编码器102安装时的安装轴心与旋转电机101运转时运转轴心在第一平面上不共点，造成旋转编码器102补偿旋转电机101的转速与位置等数据会有偏心误差，此误差会被旋转编码器102所侦测，并会被送进伺服驱动器100进行运算。后续伺服驱动器100运算时，就会参考包含这些误差的数据，进而生成错误的下一时间驱动讯号，这些误差就会影响驱动讯号的准度，且此些误差会累积，对于长时间运转的旋转电机就会造成失准控制(distorted-operation)。
将偏心误差量化，定义旋转编码器的感测点C与安装轴心A所形成的探测光线AC与旋转编码器的感测点C与运转轴心A’所形成的探测光线A’C所夹角度θ为精度误差，此精度误差是一个数值，单位是度。当运转轴心A’的X坐标大于安装轴心A的X坐标时，精度误差θ为正；反之，当运转轴心A’的X坐标小于安装轴心A的X坐标时，精度误差θ为负。精度误差θ的范围是在-90到90度的范围内。精度误差θ为0时，代表安装轴心A与运转轴心A’共点，为伺服驱动器最精确安装的状况下。精度误差θ的绝对值愈大，代表伺服驱动器安装较不精准；而精度误差θ的绝对值愈小，代表伺服驱动器较为精准。一般业界对于精度误差θ所能容忍的范围是-0.05到+0.05度之间的任一个数字。
为解决此问题，供货商通常通过严格的安装规范来限制旋转编码器在现场安装时所造成的实体的(physical)偏心误差，例如增加多种额外的辅助设备。举例来说，对于为了校正旋转机械而安装的多个传感器到旋转编码器中，形成校正模块即是增加辅助设备的一种实施方式。或是经由多道验证程序来确保每个旋转编码器的配件所造成的偏心安装误差低于某个定值，藉以确保整体旋转编码器的精度质量。此种偏心误差的减少方式虽然有效，但是需要安装体积较大的校正模块，此举会使整个旋转编码器模块体积增加。另外，增加多道验证程序不仅会让安装旋转编码器时耗费许多时间，大幅减少产品使用的友善性，取得验证程序的合格证书更需要花费额外的开销，使得校正偏心误差所需要的时间以及金钱成本上升。
再者，使用传统的校正模块，由于其内部的运算方式仍无法固定旋转电机或是机械的精度误差，使得精度误差变成时间的函数，造成旋转电机或是机械运转轴心飘动，让伺服驱动器无法依照一个固定运转轴心进行估算，使得旋转电机控制时无所适从。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种旋转编码器偏心校正装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
旋转编码器偏心校正装置，特点是：包含
控制器，根据使用者预设定旋转电机的转速产生伺服速度命令；
伺服驱动器，与控制器讯号连接，将伺服速度命令转化为一电流控制命令以控制旋转电机产生的转速；
旋转编码器，与旋转电机电性连接，量测旋转电机的运转轴心后产生一速度回授，并将速度回授传至伺服驱动器及控制器；
控制器接收速度回授，根据伺服速度命令产生一速度误差，其中速度误差的误差模型为一正弦波，控制器根据速度误差计算一位置偏心误差，并将其位置偏心误差作为一校正表使旋转编码器根据校正表进行偏心自我校正。
进一步地，上述的旋转编码器偏心校正装置，其中，控制器包括减法器，减法器将伺服速度命令与速度回授相减得速度误差。
进一步地，上述的旋转编码器偏心校正装置，其中，控制器包括运算单元，根据速度误差产生对应的位置偏心误差。
进一步地，上述的旋转编码器偏心校正装置，其中，控制器包括位置偏心误差数据储存装置，位置偏心误差数据储存装置储存位置偏心误差，作为校正表使旋转编码器根据校正表进行偏心自我校正。
进一步地，上述的旋转编码器偏心校正装置，其中，位置偏心误差数据储存装置位于控制器或旋转编码器中，旋转编码器直接根据旋转电机的速度回授进行偏心自我校正或补偿。
进一步地，上述的旋转编码器偏心校正装置，其中，运算单元包括反转函数单元、锁相放大器以及积分器，反转函数单元根据伺服驱动器的伺服驱动器参数、旋转电机的旋转电机参数以及旋转编码器的旋转编码器参数以及速度误差计算一速度偏心误差，锁相放大器根据速度偏心误差计算速度偏心误差的振幅与相位，积分器根据速度偏心误差的振幅与相位计算出位置偏心误差。
进一步地，上述的旋转编码器偏心校正装置，其中，伺服驱动器的伺服驱动器参数、旋转电机的旋转电机参数以及旋转编码器的旋转编码器参数为已知参数。
进一步地，上述的旋转编码器偏心校正装置，其中，速度误差包括弦波振幅值以及弦波相位值。
进一步地，上述的旋转编码器偏心校正装置，其中，速度偏心误差由反转函数单元根据公式计算，公式如下：
速度偏心误差的数值＝速度误差的数值×(1+C×G×H)/H，其中C为伺服驱动器参数，G为旋转电机参数，H为旋转编码器参数。
进一步地，上述的旋转编码器偏心校正装置，其中，旋转编码器为磁性旋转编码器、光学旋转编码器或电磁诱导旋转编码器。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
本发明旋转编码器偏心校正装置，能在不需要装设额外的位置传感器或是外部精度量测设备等校正设备下，仅由旋转编码器偏心校正装置接收速度回授并且运算后，就能预测偏心误差，并根据偏心误差生成回授补偿，回授补偿会让伺服驱动器生成下一时间的控制命令，且不带有偏心误差，并藉此固定精度误差，就能实时提升旋转电机运转时的精度，使旋转电机有较好的运转质量。堪称是具有新颖性、创造性、实用性的好技术。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、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
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：背景技术旋转编码器配置示意图；
图2：本发明旋转编码器偏心校正装置的系统架构图；
图3：本发明旋转编码器偏心校正装置中控制器的系统架构图；
图4：本发明控制器的运算单元的系统架构图
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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图2所示，旋转编码器偏心校正装置1包括一控制器99、一伺服驱动器100、一旋转电机101以及一旋转编码器102，控制器99根据使用者预设定旋转电机101的一转速而产生一伺服速度命令VCMD；伺服驱动器100，与控制器99讯号连接，讯号连接的方式可以是有线或无线连接，并且，伺服驱动器100将上述伺服速度命令VCMD转化为一电流控制命令ICMD，用以控制旋转电机101产生使用者预设定的转速；旋转编码器102，与旋转电机101电性连接，旋转编码器102量测旋转电机101的运转轴心后，会产生一速度回授VIBD，旋转编码器102将速度回授VIBD传至伺服驱动器100及控制器99中；其中控制器99接收速度回授VIBD后，根据伺服速度命令VCMD以及速度回授VIBD产生一速度误差Verror，其中速度误差Verror的误差模型为一正弦波模型，速度误差Verror包括一弦波振幅值以及一弦波相位，因速度误差Verror的误差模型为一正弦波模型下，则控制器99可根据速度误差Verror快速计算一位置偏心误差ECCDerror，并将其位置偏心误差ECCDerror作为一校正表以使旋转编码器102根据校正表进行偏心自我校正，另外，旋转编码器102可为磁性旋转编码器、光学旋转编码器、电磁诱导旋转编码器。
如图3，控制器99更包括一减法器991、一运算单元992以及一位置偏心误差数据储存装置993，并且，减法器991、运算单元992以及位置偏心误差数据储存装置993以讯号或电性连接。控制器99通过减法器991将伺服速度命令VCMD与速度回授VIBD相减得速度误差Verror，运算单元992，根据减法器991的运算结果所得到的速度误差Verror产生对应的位置偏心误差ECCDerror；位置偏心误差数据储存装置993，将其位置偏心误差ECCDerror储存于位置偏心误差数据储存装置993中作为校正表，以使旋转编码器102根据校正表确认目前的伺服速度命令VCMD以及速度回授VIBD的数据为何，即可对应找出位置偏心误差ECCDerror的大小并根据校正表中的位置偏心误差ECCDerror直接自我进行偏心校正，其中位置偏心误差数据储存装置993位于控制器99中，位置偏心误差数据储存装置993亦可在旋转编码器102中以便旋转编码器102之后可直接根据旋转电机101的速度回授VIBD进行偏心自我校正或补偿，换句话说，校正表可储存于控制器99或旋转编码器102中。
运算单元992被设定成可程控的，使用者可通过输入程序，改变此运算单元992的运算手段，在此状况下，运算单元992可由数字信号处理器所构成。
如图4，旋转编码器偏心校正装置1中的控制器99的运算单元992包括一反转函数单元9921、一锁相放大器9922以及一积分器9923，反转函数单元9921、锁相放大器9922以及积分器9923三者讯号或电性相连，反转函数单元9921根据伺服驱动器100的一伺服驱动器参数C、旋转电机101的一旋转电机参数G以及旋转编码器102的一旋转编码器参数H以及速度误差Verror先计算一速度偏心误差ECCVerror，伺服驱动器100的伺服驱动器参数C、旋转电机101的旋转电机参数G以及旋转编码器102的旋转编码器参数H皆为已知参数，伺服驱动器参数C与服务器驱动器100的频宽有关，旋转电机参数G则与旋转电机101中的电感与电阻有关，伺服驱动器参数C数值为62.8+(394.596/s)、旋转电机参数G数值为1/(0.833+0.006485s)以及旋转编码器参数H数值为1，反转函数单元9921通过公式的计算模式进行计算该速度偏心误差ECCVerror，公式：速度偏心误差的数值＝速度误差的数值×(1+C×G×H)/H，其中C为伺服驱动器参数，G为旋转电机参数，H为旋转编码器参数。
速度误差Verror的误差模型为一正弦波模型，速度误差Verror包括一弦波振幅值以及一弦波相位，反转函数单元9921即可根据公式快速计算速度偏心误差ECCVerror；锁相放大器9922根据速度偏心误差ECCVerror计算速度偏心误差ECCVerror的振幅与相位，锁相放大器9922即可得知速度偏心误差ECCVerror的振幅值与相位值，积分器9923再根据速度偏心误差ECCVerror的振幅与相位通过一般数学积分的方式即可计算出位置偏心误差ECCDerror，换句话说，亦从速度偏心误差ECCVerror即可得到位置偏心误差ECCDerror，将其位置偏心误差ECCDerror储存于位置偏心误差数据储存装置993中作为校正表以使旋转编码器102后续即可根据校正表确认目前的伺服速度命令VCMD以及速度回授VIBD的数据为何，即可对应找出位置偏心误差ECCDerror的大小并根据校正表中的位置偏心误差ECCDerror直接自我进行偏心校正，校正表如表一所示。则可根据不同的伺服驱动器参数、旋转电机参数以及旋转编码器参数通过上述公式进行不同校正表的制作，并将校正表储存于控制器99或旋转编码器102中以便后续快速校正旋转电机101以及旋转编码器102的偏心误差。
其中，伺服驱动器参数C＝62.8+(394.596/s)、旋转电机参数G＝1/(0.833+0.006485s)以及旋转编码器参数H＝1。
表一校正表
Figure BDA0001926415460000081
Figure BDA0001926415460000091
综上所述，本发明旋转编码器偏心校正装置，能在不需要装设额外的位置传感器或是外部精度量测设备等校正设备下，仅由旋转编码器偏心校正装置接收速度回授并且运算后，就能预测偏心误差，并根据偏心误差生成回授补偿，回授补偿会让伺服驱动器生成下一时间的控制命令，且不带有偏心误差，并藉此固定精度误差，就能实时提升旋转电机运转时的精度，使旋转电机有较好的运转质量。
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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
需要说明的是，在本文中，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。

Claims (8)

1.旋转编码器偏心校正装置，其特征在于：包含
控制器，所述控制器根据使用者预设定旋转电机的转速产生伺服速度命令，所述控制器包括运算单元，所述运算单元包括反转函数单元、锁相放大器以及积分器，反转函数单元根据伺服驱动器的伺服驱动器参数、旋转电机的旋转电机参数以及旋转编码器的旋转编码器参数以及速度误差计算一速度偏心误差，锁相放大器根据速度偏心误差计算速度偏心误差的振幅与相位，积分器根据速度偏心误差的振幅与相位计算出位置偏心误差；
伺服驱动器，与控制器讯号连接，将伺服速度命令转化为一电流控制命令以控制旋转电机产生的转速；
旋转编码器，与旋转电机电性连接，量测旋转电机的运转轴心后产生一速度回授，并将速度回授传至伺服驱动器及控制器；
控制器接收速度回授，根据伺服速度命令产生一速度误差，其中速度误差的误差模型为一正弦波，并将其位置偏心误差作为一校正表使旋转编码器根据校正表进行偏心自我校正。
2.根据权利要求1所述的旋转编码器偏心校正装置，其特征在于：控制器包括减法器，减法器将伺服速度命令与速度回授相减得速度误差。
3.根据权利要求1所述的旋转编码器偏心校正装置，其特征在于：控制器包括位置偏心误差数据储存装置，位置偏心误差数据储存装置储存位置偏心误差，作为校正表使旋转编码器根据校正表进行偏心自我校正。
4.根据权利要求3所述的旋转编码器偏心校正装置，其特征在于：位置偏心误差数据储存装置位于控制器或旋转编码器中，旋转编码器直接根据旋转电机的速度回授进行偏心自我校正或补偿。
5.根据权利要求1所述的旋转编码器偏心校正装置，其特征在于：伺服驱动器的伺服驱动器参数、旋转电机的旋转电机参数以及旋转编码器的旋转编码器参数为已知参数。
6.根据权利要求1所述的旋转编码器偏心校正装置，其特征在于：速度误差包括弦波振幅值以及弦波相位值。
7.根据权利要求1所述的旋转编码器偏心校正装置，其特征在于：
速度偏心误差由反转函数单元根据公式计算，公式如下：
速度偏心误差的数值＝速度误差的数值×(1+C×G×H)/H，其中C为伺服驱动器参数，G为旋转电机参数，H为旋转编码器参数。
8.根据权利要求1所述的旋转编码器偏心校正装置，其特征在于：旋转编码器为磁性旋转编码器、光学旋转编码器或电磁诱导旋转编码器。
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