CN109883465B - 编码器检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种编码器检测方法，包括以下步骤：第一步，将编码器安装在测试台上，由电机拖动编码器转动；第二步，使用检测装置检测编码器输出的方波；第三步，计算一个机械旋转周期内方波的所有脉冲间隔a₁、a₂、……a_n组成的脉冲间隔序列；第四步，对脉冲间隔序列的所有脉冲间隔a₁、a₂、……a_n进行数据分析。本发明利用数据分析方法对输出方波的脉冲间隔进行分析，反推编码器在制造过程中是否出现缺陷，可以快速有效地检测编码器在制造过程中是否发生偏置、波形畸变、采样问题等。

Description

编码器检测方法

技术领域

本发明涉及编码器领域，具体属于一种检测编码器是否合格的方法。

背景技术

对于光电编码器，如图1所示，如果光电编码器中两个光栅的狭缝对齐，则光线将完全通过。如果一个光栅的线条恰好与另一个光栅的狭缝相对，光线则无法通过。光强度以三角波的形式变化，光电单元会将这些光强度的变化转换成接近正弦的电信号。由上述光电编码器的信号生成原理可知，光电编码器不能长期用于有频繁变温、振动、潮湿或污染严重的工作环境。

对于磁编码器，通常使用磁阻式传感器来检测转子(码盘)表面一系列紧密排列的磁极来产生正弦波信号。由于采用了磁阻式传感原理，磁编码器内部不受灰尘、油污和水汽的影响，结构简单，坚固耐震，适用于苛刻工况。

无论是光电编码器还是磁编码器，生成的信号通常都是A/B相的正/余弦波信号。在一个机械旋转周期中A相和B相的正/余弦信号的周期数称为编码器线数(Line Count)，如图2所示，编码器线数为16。

虽然不同编码器的线数可能相差较大，但最终输出的方波脉冲却可能相同，如表1所示，四款编码器的线数各不相同，但是每圈均能输出8192个方波脉冲，该值与编码器线数之间的倍频关系由弦波细分技术(正弦波插值)实现。

表1 几款编码器的参数表

编码器正弦信号的插值技术有多种，其中使用较多的是利用正弦信号的幅相特性进行插值。以4倍频插值为例，该插值方法的基本原理为：

利用A相和B相相位相差90°的关系确定A相或B相信号所处的象限，从而保证在该象限中信号单调，例如，如果A相正弦信号和B相余弦信号同时为正，说明A相信号处于第一象限；

4倍频插值需要将一个正弦波分成8份，每个分割点对应输出方波脉冲的上升沿变化或下降沿变化，例如，若A相信号的幅值为5V，则对应360°/8＝45°相位处，其电压值应当为5×sin(45°)＝3.54V，因此，当插值电路检测到A相信号的电压值超过3.54V时，输出方波电平跳变；

通过上述方法，可以将频率为f的正弦波倍频为频率为4f的方波。

然而，在编码器的制造过程中，无法保证每个环节的相关器件都不会出现问题，而且各个工艺也可能存在问题，例如，输入正弦波偏置、输入正弦波波形畸变、ADC采样精度不足、磁滞效应(仅针对磁编码器)、插值芯片性能不足、插值算法不准确，在这些因素的影响下，编码器最终输出的方波的脉冲间隔之间会出现较大的偏差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种编码器检测方法，可以简单有效地判断编码器是否合格。

为解决上述技术问题，本发明提供的编码器检测方法，包括以下步骤：

第一步，将编码器安装在测试台上，由电机拖动编码器转动；

第二步，使用检测装置检测编码器输出的方波；

第三步，计算一个机械旋转周期内方波的所有脉冲间隔a₁、a₂、……a_n组成脉冲间隔序列；

第四步，对脉冲间隔序列的所有脉冲间隔a₁、a₂、……a_n进行数据分析，如分析结果符合要求，则判定编码器合格，如分析结果不符合要求，则判定编码器不合格。

其中，在第四步中，数据分析的步骤如下：

步骤一，计算脉冲间隔序列{a₁，a₂，……，a_n}的平均值

步骤二，设置脉冲间隔上限阈值

和脉冲间隔下限阈值

其中0＜n＜1，m＞1；

步骤三，在脉冲间隔序列中，脉冲间隔大于脉冲间隔上限阈值的数量为N₁，脉冲间隔小于脉冲间隔下限阈值的数量为N₂，如果N₁或N₂大于设定的阈值，则判定编码器不合格。

较佳的，所述脉冲间隔上限阈值为

所述脉冲间隔下限阈值为

更优的，所述脉冲间隔上限阈值为

所述脉冲间隔下限阈值为

或者，在第四步中将脉冲间隔序列绘制成脉冲间隔图进行分析。其中，所述脉冲间隔图为序列图或者小提琴图。

本发明利用数据分析方法可以快速有效地检测编码器在制造过程中是否发生偏置、波形畸变、采样问题等。

附图说明

图1是光电编码器生成正弦波的原理图；

图2是线数为16的正弦/余弦编码器在一个机械旋转周期中的简化正弦和余弦信号；

图3是正弦波偏置、波形畸变引起的插值不准确的示意图；

图4是以序列图的形式绘制的脉冲间隔图；

图5是以小提琴图的形式绘制的脉冲间隔图；

图6是本发明的检测方法的步骤图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在编码器的制造过程中，不可避免地会发生一些问题，如输入正弦波偏置、输入正弦波波形畸变、ADC采样精度不足、磁滞效应(仅针对磁编码器)、插值芯片性能不足、插值算法不准确等等，这些都会影响编码器的性能。

举例说明，如图3所示，A相正弦信号发生电压偏置同时波形上叠加了噪声，这就导致基于幅相特性的插值器输出的方波的脉冲间隔不均匀，即a₁≠a₂≠……≠a_n。

现实制造过程中不可能存在理想的器件，因此脉冲间隔肯定不可能完全相等。但是，如果制造过程中各个环节的相关器件存在问题或者工艺存在问题，最终生成的方波的脉冲间隔之间就会有较大的偏差。

本发明提供一种编码器检测方法，通过对输出方波的脉冲间隔的计算分析，反推编码器在制造过程中是否出现了前述问题，如图6所示，具体包括以下步骤：

第一步，将编码器安装在测试台上，由电机拖动编码器转动；

第二步，使用检测装置检测编码器输出的方波，例如存储深度满足要求的记录仪；

第三步，计算一个机械旋转周期内方波的所有脉冲间隔a₁、a₂、……a_n组成脉冲间隔序列；

第四步，对脉冲间隔序列的所有脉冲间隔a₁、a₂、……a_n进行数据分析，例如可以使用Python中的pandas库中的统计工具，如分析结果符合要求，则判定编码器合格，如分析结果不符合要求，则判定编码器不合格。

其中，在第四步中，数据分析的步骤如下：

步骤一，计算脉冲间隔序列{a₁，a₂，……，a_n}的平均值

步骤二，设置脉冲间隔上限阈值

和脉冲间隔下限阈值

其中0＜n＜1，m＞1，通常，所述脉冲间隔上限阈值为

脉冲间隔下限阈值为

步骤三，在脉冲间隔序列中，脉冲间隔大于脉冲间隔上限阈值的数量为N₁，脉冲间隔小于脉冲间隔下限阈值的数量为N₂，如果N₁或N₂大于设定的阈值，则判定编码器不合格。

例如，对于一圈输出8192个方波的编码器，一圈的方波数据中有16384个脉冲间隔a₁、a₂、……a₁₆₃₈₄。

在转速s下，脉冲间隔序列的平均值为

脉冲间隔上限阈值取值为

脉冲间隔下限阈值取值为

脉冲间隔中大于

的计数值N_1.1，小于

的计数值为N_0.9。设定一定的阈值，当N_1.1或N_0.9大于一定的阈值时，可判定编码器不合格。

例如，对编码器A和编码器B两款编码器进行上述测试，如下表，测试表明编码器B的脉冲间隔偏差较大，若将上述阈值设置在100，则可判定编码器B不合格。

一个机械旋转周期的测试数据	编码器A	编码器B
			脉冲间隔总数	16384	16384
脉冲间隔均值mean	214.0	214.0
			脉冲间隔标准差std	4.236	10.87546
大于1.1mean的脉冲间隔数量	90	212
			小于0.9mean的脉冲间隔数量	32	267

此外，数据分析的方法还可以将脉冲间隔序列绘制成序列图，如图4所示。从图4可知，测试台的电机旋转基本匀速，但在旋转过程中，编码器输出的方波的脉冲间隔会在某些时间点发生突变。从图4的序列图也可知，该种突变并不是由于旋转的速度突变导致，而确实是因编码器的输出方波信号异常所致，因此该序列图可以作为判定编码器不合格的辅助手段。

也可以将脉冲间隔绘制成小提琴图，如图5所示。小提琴图是直方图与核函数的结合技术。基于小提琴图，可以更直接地获知脉冲间隔数据的统计分布，例如，从图5中可知，编码器A和编码器B的最大值、最小值、25％分位数以及75％分位数，也可以直观地获知两者的方差差异。此外，从小提琴图中也可推测编码器不合格的原因，例如EMC设计不合格，插值算法不稳定以及制造公差过大等。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，本发明并不限于上文讨论的实施方式。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的技术范畴内，例如，其它数据分析方法或者各阈值的选择。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims (3)

1.一种编码器检测方法，其特征在于，用于检测制造出来的编码器是否合格，包括以下步骤：

第一步，将编码器安装在测试台上，由电机拖动编码器转动；

第二步，使用检测装置检测编码器输出的方波；

第三步，计算一个机械旋转周期内方波的所有脉冲间隔a ₁、a ₂、……a _n组成脉冲间隔序列；

第四步，对脉冲间隔序列的所有脉冲间隔a ₁、a ₂、……a _n进行数据分析，如分析结果符合要求，则判定编码器合格，如分析结果不符合要求，则判定编码器不合格；

其中，在第四步中，数据分析的步骤如下：

步骤一，计算脉冲间隔序列{a ₁，a ₂，……，a _n}的平均值

；

步骤二，设置脉冲间隔上限阈值m

和脉冲间隔下限阈值n

，其中0＜n＜1，m＞1；

步骤三，在脉冲间隔序列中，脉冲间隔大于脉冲间隔上限阈值的数量为N ₁，脉冲间隔小于脉冲间隔下限阈值的数量为N ₂，如果N ₁或N ₂大于设定的阈值，则判定编码器不合格。

2.根据权利要求1所述的编码器检测方法，其特征在于，所述脉冲间隔上限阈值为（1.05～1.2）

，所述脉冲间隔下限阈值为（0.8～0.95）

。

3.根据权利要求2所述的编码器检测方法，其特征在于，所述脉冲间隔上限阈值为1.1

，所述脉冲间隔下限阈值为0.9

。

Images