CN109764897B - 一种正余弦编码器高速信号采集及细分方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正余弦编码器高速信号采集及细分方法和系统，用于高速高精度正余弦编码器的转角测量计算，首先采用高速数字化仪对正余弦编码器的高速信号进行采集与处理，应用Kalman滤波算法去噪，得到两路相位差90度的数字信号，在高速流盘存储后，通过工控机处理器的上位机软件进行反正切软件细分，分别经过信号起点相角计算模块、半周期截取和计数模块、信号终点相角计算模块，最后计算出编码器旋转角度的精确值。

Description

一种正余弦编码器高速信号采集及细分方法和系统

【技术领域】

本发明属于信号检测和处理领域，尤其涉及一种正余弦编码器高速信号采集及细分方法和系统。

【背景技术】

在高精度、高动态性能要求的伺服和精密测控系统中，必须实时和精确地测量转子的位置和转速，正余弦编码器正是将旋转轴的机械几何位移转换为数字量的传感器，为转子的位置和转速测量提供了技术解决方案。

正余弦编码器在机器人、精密机床、检测设备等系统中获得了广泛的应用，随着控制及测量系统性能要求的不断提高，对转轴位置的定位精度和角度测量精度要求也越来越高，则高速信号采集与处理就至关重要。然而单纯的提高编码器的光栅数，既有成本的限制，又有工艺技术等方面的制约，无法满足高精度及实时性的要求，为提高编码器的分辨率和控制精度，降低硬件设计和开发成本，可以通过对编码器信号进行高速采样，再经过软件滤波及细分算法等处理，得到测量对象的高精度角度数据。

在运用矢量控制技术、直接转矩控制技术等电机控制系统中，为了提高伺服系统的实时性和稳定性，逆变器的工作频率往往设置为数千赫兹以上；在高精度角度测量系统中，编码器的转速范围限制了其在较高转速下的测量精度，MHz量级的采样频率使得在硬件上实现信号细分变得困难。因此为了进一步得到高速工况下的高精度角度数据，降低硬件成本和可行性，提出一种高精度角度细分算法，对满足高速运行时的精度和实时性要求尤为重要。

正余弦编码器高速信号的细分方法可分为硬件细分法和软件细分法。硬件细分法通过比较器电路实现细分，存在电路复杂、成本高和灵活性差等缺点；软件细分法一般应用DSP或FPGA处理器，将编码器的正余弦信号进行AD采样转换，受运算速度的影响，只能根据幅值或相位进行查表细分，这种处理器运算速度相对较慢，且脉冲处理能力弱，无法满足高速信号的细分要求。并且，现有正余弦编码器的软件细分算法为了降低运算复杂度，多数采用线性近似或者其他近似方法处理，在一定程度上限制了测控系统应用的精度。

【发明内容】

为了解决上述问题，本发明提出了一种正余弦编码器高速信号采集及细分方法和系统。该系统通过40MS/s高速数字化仪来实现高速信号的采集，采集速度快，效率高，满足了高精度、高动态性能检测控制系统的要求；系统应用Kalman滤波算法去噪，滤波在时域内，且算法递推，每步仅处理一个时刻量测信息，一方面综合利用了时刻以前的全部测量信息，另一方面不会使计算量随时间增长，采用动态方程描述被估计量的动态变化规律，被估计量的动态统计信息由激励白噪声的统计信息和动态方程确定，方便计算机实时处理；系统应用工控机作为处理器，通过工控机的上位机软件，可直接根据算法对正余弦信号细分，无须查表，运算速度和脉冲处理能力较DSP、FPGA更具优势，精确度更高；该软件细分方法主要通过正余弦信号反正切实现，分别经过信号起点相角计算模块、半周期起点截取和计数模块、信号终点相角计算模块等步骤，最后计算出编码器旋转角度的精确值。

本发明的有益效果为：采集速度快，效率高，满足了高精度、高动态性能伺服系统的要求；运算速度和脉冲处理能力较DSP、FPGA更具优势，精确度更高；步骤简便，运算快捷，易于编程和集成，在实际工程应用中更为实用。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明方法及系统的原理框图。

图2是高速数字化仪采集的正余弦信号图。

图3是Kalman滤波算法去噪后的正余弦信号图。

图4是上位机软件计算的反正切信号图。

【具体实施方式】

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见附图1，其示出了本发明方法和系统的原理框图，用于对高速高精度正余弦编码器的转角测量的计算。下面结合实际处理例程对本系统的具体实施方式和过程进行详细阐述。

首先，对于正余弦编码器输出的高速信号，使用40MS/s的高速数字化仪进行采集和处理，然后对高速数字化仪采集的信号进行Kalman滤波。

Kalman滤波算法是利用系统的过程模型，来预测下一状态的系统，当测量一个值时，同时具有模型估计和直接测量两种方式，但由于两种方式均不准确，所以用Kalman增益系数分配两种方式的可信度权重，以得出新估计值，并以新估计值为基础，更新Kalman增益系数重新分配权重，逐步迭代逼近真实值。本实施例中采用的常规Kalman滤波五大方程如下：

X(k|k-1)＝PHI·X(k-1|k-1)+δ·U(k)

(1)

式(1)中，k为现在系统时刻，X(k|k-1)是利用上一状态预测的结果，X(k-1|k-1)是上一状态最优的结果，U(k)为现在状态的控制量(若无控制量可为0)，PHI和δ为系统参数(多模型系统中为矩阵)。

P(k|k-1)＝PHI·P(k-1|k-1)·PHI′+Q

(2)

式(2)中，P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的方差，P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)对应的方差，PHI′表示PHI的转置矩阵，Q是系统过程的方差。

X(k|k)＝X(k|k-1)+K_g(k)·(Z(k)-H·X(k|k-1))

(3)

式(3)中，X(k|k)是现在状态的最优化估算值，K_g(k)为Kalman增益，Z(k)＝HX(k)+V(k)为k时刻系统的测量值，H为测量系统的参数(多模型系统中为矩阵)，X(k)是k时刻的系统状态，V(k)为测量的噪声，其协方差为R。

Kg(k)＝P(k|k-1)·H′/(H·P(k|k-1)·H′+R)

(4)

式(4)中，H′表示H的转置矩阵。

P(k|k)＝(I-K_g(k)·H)·P(k|k-1)

(5)

式(5)中，I为单位矩阵(单模型单测量系统中I＝1)，当系统进入k+1状态时，P(k|k)则变为式(2)的P(k-1|k-1)，如此，算法可依次迭代。

经过上述Kalman滤波后，得到了相位差90度的数字信号值A(正弦信号)和B(余弦信号)，在对所述数字信号值A和B进行高速流盘存储后，再通过工控机处理器的上位机软件，对所述A和B进行反正切运算，计算得到每一点的相角信号ArcTan。对于得到的相角信号，分别经过信号起点相角计算模块、信号终点相角计算模块、半周期截取和计算模块的处理。

具体的，由于信号不一定从半周期(0°或180°)开始，故须由所述信号起点相角计算模块计算相角在信号起点的非周期部分，记信号起始点相角为θ₀，编码器的物理线数为Line，相角信号起始点为n₀，则所述信号起点相角计算模块可以得到

其中ArcTan(n₀)表示相角信号ArcTan在信号起始点的度数。

和起始相角类似，记信号结束点相角为θ₂，相角信号长度为n，则信号终点相角计算模块可以得到

其中ArcTan(n)表示相角信号ArcTan在信号结束点的度数。

所述半周期截取和计数模块用于对相角信号ArcTan进行90°～-90°过零检测，通过累加器得到在整个ArcTan信号内共90°～-90°过零N次，计算得到半周期相角总角度为

最后，转角输出模块计算得到编码器总旋转角度θ＝θ₀+θ₁+θ₂。

下面结合一个具体实施例对本发明进行详细说明：

(1)高速数字化仪对正余弦编码器高速信号的采集。

在物理线数为20000线、转速200rpm的正余弦编码器测试系统中，采用40MS/s高速数字化仪对正余弦编码器的高速信号进行采集，得到两路相位差90度的数字信号A和B，如图2所示。

(2)Kalman滤波算法实现。

应用Kalman滤波算法去噪，系统参数分别为：PHI＝1，δ＝0.0105，Q＝4×10^-4，H＝1，R＝0.1，I＝1；初始值分别为：X(1)＝sin45°，P(1)＝0.05，K_g(k)＝0，其余初始值均为0；算法方程分别为：

X(k|k-1)＝PHI·X(k-1|k-1)+δ·U(k)

(1)

P(k|k-1)＝PHI·P(k-1|k-1)·PHI′+Q

(2)

X(k|k)＝X(k|k-1)+K_g(k)·(Z(k)-H·X(k|k-1))

(3)

K_g(k)＝P(k|k-1)·H′/(H·P(k|k-1)·H′+R)

(4)

P(k|k)＝(I-K_g(k)·H)·P(k|k-1)

(5)

将高速数字化仪采集的正余弦信号代入Kalman滤波算法五大方程中，再结合系统参数和初始值，当系统进入k+1状态时，P(k|k)则变为式(2)的P(k-1|k-1)，如此，算法可依次迭代，最终得到去噪后的两路相位差90度的数字信号，如图3所示。

(3)反正切软件细分算法实现。

Kalman滤波算法去噪后，得到相位差90度的数字正余弦信号值，在高速流盘存储后，分别经过下述过程实现转角输出：

反正切运算模块：根据Kalman滤波的输出结果(A、B两路信号)，计算得到每一点的相角信号ArcTan，如图4所示；

信号起点相角计算模块：由于信号不一定从半周期(θ＝0°或180°)开始，故须计算相角在信号起点的非周期部分，已知编码器的物理线数为Line＝20000，经测量相角信号起始点n₀＝1，信号起始点相角

信号终点相角计算模块：与起点相角类似，信号结束点相角

半周期截取和计数模块：对相角信号ArcTan进行90°～-90°过零检测，通过累加器得到在整个ArcTan信号内共90°～-90°过零N＝34次，则半周期相角总角度为

转角输出：最后计算出编码器总旋转角度θ＝θ₀+θ₁+θ₂＝0.2999°。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (4)

1.一种正余弦编码器高速信号采集及细分方法，用于对正余弦编码器的转角的计算，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用高速数字化仪采集所述正余弦编码器输出的高速信号；

(2)对所述高速数字化仪采集的信号进行Kalman滤波，得到相位差90度的正弦数字信号A和余弦数字信号B；

(3)高速流盘存储所述正弦数字信号A和余弦数字信号B；

(4)对所述正弦数字信号A和余弦数字信号B进行反正切运算，计算得到信号每一点的相角信号ArcTan；

(5)计算信号起始点相角θ₀，即

其中，Line为编码器的物理线数，ArcTan(n₀)表示相角信号ArcTan在信号起始点的角度；

(6)计算信号结束点相角θ₂，即

其中ArcTan(n)表示相角信号ArcTan在信号结束点的度数；

(7)对相角信号ArcTan进行90°～-90°过零检测，通过累加器得到在整个ArcTan信号内共90°～-90°过零N次，计算得到半周期相角总角度

(8)计算得到编码器总旋转角度θ＝θ₀+θ₁+θ₂。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2-6通过工控机处理器的上位机软件执行。

3.一种正余弦编码器高速信号采集及细分系统，用于对正余弦编码器的转角的计算，其特征在于，包括：正余弦编码器、高速数字化仪、高速流盘存储模块、Kalman滤波模块和反正切软件细分模块，其中：

所述高速数字化仪用于采集所述正余弦编码器输出的高速信号；

所述Kalman滤波模块用于对所述高速数字化仪采集的信号进行Kalman滤波，得到相位差90度的正弦数字信号A和余弦数字信号B；

所述高速流盘存储模块用于存储所述正弦数字信号A和余弦数字信号B；

所述反正切软件细分模块包括反正切运算模块、信号起点相角计算模块、信号终点相角计算模块、半周期截取和计数模块、转角输出模块；

所述反正切运算模块对所述正弦数字信号A和余弦数字信号B进行反正切运算，计算得到信号每一点的相角信号ArcTan；

所述信号起点相角计算模块计算信号起始点相角θ₀，即

其中，Line为编码器的物理线数，ArcTan(n₀)表示相角信号ArcTan在信号起始点的度数；

所述信号终点相角计算模块计算信号结束点相角θ₂，即

其中ArcTan(n)表示相角信号ArcTan在信号结束点的度数；

所述半周期截取和计数模块对相角信号ArcTan进行90°～-90°过零检测，通过累加器得到在整个ArcTan信号内共90°～-90°过零N次，计算得到半周期相角总角度

所述转角输出模块计算得到编码器总旋转角度θ＝θ₀+θ₁+θ₂。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述高速流盘存储模块、Kalman滤波模块和反正切软件细分模块通过工控机处理器的上位机软件执行。

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