CN110133316A - 一种光电编码器精密测速系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种光电编码器精密测速系统及方法，该系统包括：连接支架、直流电机、数据采集及控制电路、电机驱动电路、具有显示设备的计算机和光电编码器；计算机用于向数据采集及控制电路发送启动命令；数据采集及控制电路用于根据启动命令控制电机驱动电路驱动直流电机转动；直流电机用于带动光电编码器同步转动；数据采集及控制电路还用于采集光电编码器同步转动时所产生的莫尔条纹信号，以此得到光电编码器位置的角度数据，并将角度数据按照预设公式计算得到光电编码器的速度信息，并输出至计算机进行显示。本发明实现了光电编码器高精度测速的同时，避免了细分误差带来的影响以及采样频率受输出信号频率限制，有效提高了光电编码器测速精度。

Description

一种光电编码器精密测速系统及方法

技术领域

本发明涉及光电编码器技术领域，特别是涉及一种光电编码器精密测速系统。

背景技术

光电编码器是一种集光、机、电于一体的光电角位移传感器。通过将计量圆光栅所检测到的空间角位置信息转换成相应的数字代码输出，可上传至计算机设备，实现数字测量与动态控制。在电机的测速领域中，光电编码器因其测量准确度高、抗干扰性强和分辨率高等被广泛应用。

传统编码器的光电编码器测速方法有M法，T法和M/T法，在此基础上衍生了变M法，变T法，变M/T法；无论是传统方法还是现代方法，很少是直接测量编码器速度，都是通过获取编码器输出的位置信息，再通过一定的算法来获得速度信息，这样会使得测速结果受到编码器信号处理延时的影响，采样频率较低。其次，测速算法无法满足整个测速范围内的误差要求，如M法测速适合高速测量，低速时误差较大，T法与之相反。另外现代控制理论的发展对现代控制系统的精度也给出了更高的要求，这就对编码器的测量精度提出了挑战。如何在现行编码器方案的情况下，提高其测量精度和降低编码器的测速延时，已经成为一个亟待解决的问题。

发明内容

基于此，有鉴于此，本发明提供一种光电编码器精密测速系统，以实现对光电编码器速度的直接检测，避免编码器信号处理延时、采样频率和细分误差的影响。

本发明提供一种光电编码器精密测速系统，其特征在于，包括：连接支架、直流电机、数据采集及控制电路、电机驱动电路、具有显示设备的计算机和光电编码器；

所述光电编码器固定在所述连接支架上且主轴与所述直流电机相连接；

所述数据采集及控制电路并通过所述电机驱动电路与所述直流电机相连接，所述计算机及所述光电编码器与所述数据采集及控制电路相连接；

所述计算机用于向所述数据采集及控制电路发送启动命令；所述数据采集及控制电路用于根据所述启动命令控制所述电机驱动电路驱动所述直流电机转动；所述直流电机用于带动所述光电编码器同步转动；所述数据采集及控制电路还用于采集所述光电编码器同步转动时所产生的莫尔条纹信号，以此得到所述光电编码器位置的角度数据，并将所述角度数据按照预设公式计算得到所述光电编码器的速度信息，并输出至所述计算机进行显示。

本发明还提供一种光电编码器精密测速方法，包括：

提供连接支架、直流电机、数据采集及控制电路、电机驱动电路、具有显示设备的计算机和光电编码器；

将所述光电编码器固定在所述连接支架上且主轴与所述直流电机相连接；

将所述数据采集及控制电路并通过所述电机驱动电路与所述直流电机相连接，并将所述计算机及所述光电编码器与所述数据采集及控制电路相连接；

通过所述计算机向所述数据采集及控制电路发送启动命令；通过所述数据采集及控制电路根据所述启动命令控制所述电机驱动电路驱动所述直流电机转动；通过所述直流电机带动所述光电编码器同步转动；以及通过所述数据采集及控制电路采集所述光电编码器同步转动时所产生的莫尔条纹信号，以此得到所述光电编码器位置的角度数据，并将所述角度数据按照预设公式计算得到所述光电编码器的速度信息，并输出至所述计算机进行显示。

本发明提供通过数据采集及控制电路采集光电编码器产生的莫尔条纹信号，以此得到光电编码器的位置信息，并通过位置信息求解出光电编码器产生的莫尔条纹信号的运动方程，则运动方程的微分即为光电编码器的速度方程，实现计算出光电编码器在任意时刻的速度。可以看出，本发明采用直接采集与处理光电编码器运动所产生的莫尔条纹信号，相比现有技术采集光电编码器的输出信号而言，本发明实现了光电编码器高精度测速的同时，避免了细分误差带来的影响，同时避免了采样频率受输出信号频率限制，使测速结果更真实可信，有效提高了光电编码器测速精度；采用非均匀采样的方式进行采样，可以在不影响测速精度的同时提高系统的测速效率；在计算速度的同时由于数据有交叉，使得计算机所显示的速度曲线更加平滑。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种光电编码器精密测速系统的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种光电编码器精密测速系统的采样示意图；

图3为本发明实施例公开的一种光电编码器精密测速系统的工作流程；

图4为本发明实施例公开的一种数据采集及控制电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人士在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供一种光电编码器精密测速系统的结构示意图，光电编码器精密测速系统包括：连接支架11、直流电机12、数据采集及控制电路13、电机驱动电路14、具有显示设备的计算机15和光电编码器16；

具体的，光电编码器16固定在连接支架11上，其主轴与直流电机12相连接，光电编码器16与数据采集及控制电路13相连接。数据采集及控制电路13通过电机驱动电路14与直流电机12相连接，计算机15与数据采集及控制电路13相连接。

光电编码器精密测速系统的工作原理具体如下：

计算机15向数据采集及控制电路13发送启动命令，数据采集及控制电路13根据启动命令控制电机驱动电路14驱动直流电机12转动，直流电机12光电编码器13同步转动，数据采集及控制电路13采集光电编码器16同步转动时所产生的莫尔条纹信号，以此得到光电编码器16位置的角度数据，并将角度数据按照预设公式计算得到光电编码器16的速度信息，并输出至计算机15进行显示。

数据采集及控制电路13计算得到所述编码器速度的过程包括：

参见图2，在光电编码器16的结构中，一般在指示光栅每1/4莫尔条纹间距处放置一个光电读数头，数据采集及控制电路13采集四个读数头输出四路相位差为π/2的正弦电信号，经信号处理电路差分放大后，输出两路正余弦信号U_s,U_c

式中，θ为莫尔条纹信号周期内的角度数据(又称为电相角)，且莫尔条纹信号变化一个周期，则码盘和狭缝相对移动了一个栅距的距离,U为莫尔条纹信号幅度；

光电编码器16通常应满足单向、连续、平稳等运动条件，且无明显干扰，因此运动方程满足泰勒级数的基本要求，可以用有限项幂级数表示。在微小的位移变化范围内，光电编码器16是做加速度变化很小的近似匀变速运动，选取三阶以下的运动方程进行讨论即可满足实际要求；

将t₀＝0时刻作为位移的起点，简化的运动方程如下：

θ(t)＝θ₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)²+a₃(t-t₀)³ (2)

式中，θ₀,a₁,a₂,a₃分别为采样起始点的位置、角速度、角加速度和角加速度的变化率；

间隔相等的采样时刻，在t₀、t₁、t₂、t₃时刻分别对莫尔条纹光电信号进行采样，得到t_i时刻的两路正余弦信号U_s(t_i),U_c(t_i)(i＝0,1,2,3)，由公式(3)计算得到t_i时刻的角度数据θ(t_i)

当和时，正切幅值过大造成溢出。所以在莫尔条纹周期内，对公式(3)进行分段讨论，得到

将所得到的θ(t_i)代入公式(2)式得到下列方程组：

通过高斯消去法求解未知数a₁、a₂、a₃，计算此次采样t₀～t₃的速度：

v＝a₁+2a₂(t-t₀)+3a₃(t-t₀)²,(t₀<t≤t₃) (6)

公式(6)是在莫尔条纹周期内得到的速度，设光电编码器精码刻划数为2ⁿ，则实际速度为：

参见图3，当进行下一次采样时，则此次采样的t₀时刻为上一次采样的t₁时刻。同理可以得出，每一时刻对应3个莫尔条纹运动方程，则该时刻3个速度方程的平均值，即为该时刻的速度v(t)

v_k(t)为t时刻的每一次计算所得到的速度。

为提高测速效率，在保证高速时采样次数的情况下，本发明提出采用非均匀采样方式进行采样，即在计算前一次末时刻采样速度的情况下，改变下一次采样的采样周期。系统的测速范围为0.1°/s～50°/s，将整个测速范围分为五个等级分别为0.1°/s≤v≤10°/s、10°/s<v≤20°/s、20°/s<v≤30°/s、30°/s<v≤40°/s和40°/s<v≤50°/s。设当40°/s<v≤50°/s时，采样周期为T_s，则当30°/s<v≤40°/s，采样周期为当20°/s<v≤30°/s时，采样周期为当10°/s<v≤20°/s时，采样周期为当0.1°/s≤v≤10°/s时，采样周期为5T_s。这样在不影响精度的情况下，提高了系统的效率。

综上可以看出，本发明提供的光电编码器精密测速系统，检测系统通过数据采集及控制电路13采集光电编码器16产生的莫尔条纹信号，以此得到光电编码器16的位置信息，并通过位置信息求解出光电编码器16的运动方程，则运动方程的微分即为光电编码器16的速度方程，实现计算出光电编码器16在任意时刻的速度。可以看出，本发明采用直接采集与处理光电编码器16运动所产生的莫尔条纹信号，相比现有技术采集光电编码器16的输出信号而言，本发明实现了光电编码器16高精度测速的同时，避免了细分误差带来的影响，同时避免了采样频率受输出信号频率影响，使测速结果更真实可信，有效提高了光电编码器16测速精度；在计算速度的同时由于数据有交叉，使得计算机15所显示的速度曲线更加平滑。

其中，光电编码器16通过电缆与所述数据采集及控制电路13相连接。

优选的，光电编码器16选用21位编码器，精码道每周具有4096对刻线。分辨率：0.6″，测角精度：σ<2″。

优选的，直流电机12为直流无刷电机。

为进一步优化上述实施例，参见图4，本发明实施例提供的一种数据采集及控制电路13的结构示意图，包括：数据采集电路131，数据处理与计数电路132，数据传输电路133，电机控制电路134；

其中：

数据采集电路131与所述光电编码器16连接，用于采集所述光电编码器16产生的莫尔条纹信号；

数据处理与计数电路132与数据采集电路131连接，用于采集光电编码器16产生的莫尔条纹信号所代表的光电编码器16的位置信息，进而通过相应计算得到光电编码器16的速度；

其中，数据处理与计算电路132计算得到光电编码器16的速度的具体过程请参见上述。

优选的，数据处理与计算电路132为可编程逻辑器件和数字信号处理器；

数据传输电路133分别与数据处理与计算电路132和具有显示设备的计算机15相连接，用于将接收计算机15发送的启动启动指令输出至数据处理与计算电路132，并接收数据处理与计算电路132输出的光电编码器16的速度输出至计算机15进行显示；

电机控制电路134分别与数据传输电路133和电机驱动电路14连接，用于将计算机15发送的启动指令输出至电机驱动电路14以控制直流电机12转动。

本发明还提供一种利用上述光电编码器精密测速系统的光电编码器精密测速方法，包括：

提供连接支架、直流电机、数据采集及控制电路、电机驱动电路、具有显示设备的计算机和光电编码器；

将所述光电编码器固定在所述连接支架上且主轴与所述直流电机相连接；

将所述数据采集及控制电路并通过所述电机驱动电路与所述直流电机相连接，并将所述计算机及所述光电编码器与所述数据采集及控制电路相连接；

通过所述计算机向所述数据采集及控制电路发送启动命令；通过所述数据采集及控制电路根据所述启动命令控制所述电机驱动电路驱动所述直流电机转动；通过所述直流电机带动所述光电编码器同步转动；以及通过所述数据采集及控制电路还采集所述光电编码器同步转动时所产生的莫尔条纹信号，以此得到所述光电编码器位置的角度数据，并将所述角度数据按照预设公式计算得到所述光电编码器的速度信息，并输出至所述计算机进行显示。

优选地，数据采集及控制电路按照预设公式计算得到所述编码器速度信息的过程如下：

所述数据采集及控制电路采集四个光电读数头输出四路相位差为π/2的正弦电信号，经信号处理电路差分放大后，输出两路正余弦信号U_s,U_c

式(1)中，θ为莫尔条纹信号周期内的角度数据，U为莫尔条纹信号幅度；

设定所述光电编码器是做加速度变化很小的近似匀变速运动，选取三阶以下的运动方程进行讨论即可满足实际要求；

将t₀＝0时刻作为位移的起点，简化的运动方程如下：

θ(t)＝θ₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)²+a₃(t-t₀)³ (2)

式(2)中，θ₀,a₁,a₂,a₃分别为采样起始点的位置、角速度、角加速度和角加速度的变化率；

间隔相等的采样时刻，在t₀、t₁、t₂、t₃时刻分别对莫尔条纹光电信号进行采样，得到t_i时刻的两路正余弦信号U_s(t_i),U_c(t_i)(i＝0,1,2,3)，由公式(3)计算得到t_i时刻的角度数据θ(t_i)

当和时，正切幅值过大造成溢出，所以在莫尔条纹周期内，对公式(3)进行分段讨论，得到

将所得到的θ(t_i)(i＝0,1,2,3)，代入公式(2)式得到下列方程组：

通过高斯消去法求解未知数a₁、a₂、a₃，计算此次采样t₀～t₃的速度：

v＝a₁+2a₂(t-t₀)+3a₃(t-t₀)²,(t₀<t≤t₃) (6)

公式(6)是在莫尔条纹周期内得到的速度信息，设光电编码器精码刻划数为2ⁿ，n为精码码道位数。则实际速度信息为：

当进行下一次采样时，则此次采样的t₀时刻为上一次采样的t₁时刻；同理可以得出，每一时刻对应3个莫尔条纹运动方程，则该时刻3个速度方程的平均值，即为该时刻的速度v(t)

v_k(t)为t时刻的每一次计算所得到的光电编码器的速度信息。

本发明提供了一种光电编码器精密测速系统，避免了细分误差带来的影响，同时避免了采样频率受输出信号频率影响，使测速结果更真实可信，有效提高了光电编码器测速精度；采用非均匀采样的方式进行采样，可以在不影响测速精度的同时提高系统的测速效率；在计算速度的同时由于数据有重叠，使得计算机所显示的速度曲线更加平滑。

以上所述实施方式仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光电编码器精密测速系统，其特征在于，包括：连接支架、直流电机、数据采集及控制电路、电机驱动电路、具有显示设备的计算机和光电编码器；

所述光电编码器固定在所述连接支架上且主轴与所述直流电机相连接；

所述数据采集及控制电路并通过所述电机驱动电路与所述直流电机相连接，所述计算机及所述光电编码器与所述数据采集及控制电路相连接；

所述计算机用于向所述数据采集及控制电路发送启动命令；所述数据采集及控制电路用于根据所述启动命令控制所述电机驱动电路驱动所述直流电机转动；所述直流电机用于带动所述光电编码器同步转动；所述数据采集及控制电路还用于采集所述光电编码器同步转动时所产生的莫尔条纹信号，以此得到所述光电编码器位置的角度数据，并将所述角度数据按照预设公式计算得到所述光电编码器的速度信息，并输出至所述计算机进行显示。

2.根据权利要求1所述的光电编码器精密测速系统，其特征在于，所述数据采集及控制电路包括：

数据采集电路，所述数据采集电路与所述光电编码器连接，用于采集所述光电编码器产生的莫尔条纹信号。

3.根据权利要求2所述的光电编码器精密测速系统，其特征在于，所述数据采集及控制电路还包括：

数据处理与计算电路，所述数据处理与计算电路与所述数据采集电路连接，用于计算所述光电编码器产生的莫尔条纹信号所代表的所述光电编码器的位置信息，进而得到所述光电编码器的速度；

数据传输电路，所述数据传输电路分别与数据处理与计算电路和所述具有显示设备的计算机相连接，用于将接收所述计算机发送的启动指令输出至所述数据处理与计算电路，并接收所述数据处理与计算电路输出的所述光电编码器的速度输出至所述计算机进行显示；

电机控制电路，所述电机控制电路分别与所述数据传输电路和所述电机驱动电路连接，用于将所述计算机发送的所述启动指令输出至所述电机驱动电路以控制所述直流电机转动。

4.根据权利要求1所述的光电编码器精密测速系统，其特征在于，所述光电编码器的主轴通过联轴节与所述直流电机主轴相连接；所述光电编码器通过电缆与所述数据采集及控制电路相连接。

5.根据权利要求1所述的光电编码器精密测速系统，其特征在于，在所述光电编码器的指示光栅每1/4莫尔条纹间距处放置一个光电读数头，并共设置四个光电读数头。

6.根据权利要求5所述的光电编码器精密测速系统，其特征在于，所述数据采集及控制电路按照预设公式计算得到所述编码器速度信息的过程如下：

所述数据采集及控制电路采集四个光电读数头输出四路相位相差π/2的正弦电信号，经信号处理电路差分放大后，输出两路正余弦信号U_s,U_c

式(1)中，θ为莫尔条纹信号周期内的角度数据，U为莫尔条纹信号幅度；

设定所述光电编码器是做加速度变化很小的近似匀变速运动，选取三阶以下的运动方程进行讨论即可满足实际要求；

将t₀＝0时刻作为位移的起点，简化的运动方程如下：

θ(t)＝θ₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)²+a₃(t-t₀)³ (2)

式(2)中，θ₀,a₁,a₂,a₃分别为采样起始点的位置、角速度、角加速度和角加速度的变化率；

间隔相等的采样时刻，在t₀、t₁、t₂、t₃时刻分别对莫尔条纹光电信号进行采样，得到t_i时刻的两路正余弦信号U_s(t_i),U_c(t_i)，i＝0,1,2,3，由公式(3)计算得到t_i时刻的角度数据θ(t_i)

当和时，正切幅值过大造成溢出，所以在莫尔条纹周期内，对公式(3)进行分段讨论，得到

将所得到的θ(t_i)，代入公式(2)式得到下列方程组：

通过高斯消去法求解未知数a₁、a₂、a₃，计算此次采样t₀～t₃的速度：

v＝a₁+2a₂(t-t₀)+3a₃(t-t₀)²,(t₀<t≤t₃) (6)

公式(6)是在莫尔条纹周期内得到的速度信息，设光电编码器精码刻划数为2ⁿ，n为精码码道位数，则实际速度信息为：

当进行下一次采样时，则此次采样的t₀时刻为上一次采样的t₁时刻；同理可以得出，每一时刻对应3个莫尔条纹运动方程，则该时刻3个速度方程的平均值，即为该时刻的速度v(t)

v_k(t)为t时刻的每一次计算所得到的光电编码器的速度信息。

7.根据权利要求6所述的光电编码器精密测速系统，其特征在于，采用非均匀采样方式进行采样：

在计算前一次末时刻采样速度的情况下，改变下一次采样的采样周期；系统的测速范围为0.1°/s～50°/s，将整个测速范围分为五个等级分别为0.1°/s≤v≤10°/s、10°/s<v≤20°/s、20°/s<v≤30°/s、30°/s<v≤40°/s和40°/s<v≤50°/s；设当40°/s<v≤50°/s时，采样周期为T_s，则当30°/s<v≤40°/s，采样周期为当20°/s<v≤30°/s时，采样周期为当10°/s<v≤20°/s时，采样周期为当0.1°/s≤v≤10°/s时，采样周期为5T_s。

8.一种光电编码器精密测速方法，包括：

提供连接支架、直流电机、数据采集及控制电路、电机驱动电路、具有显示设备的计算机和光电编码器；

将所述光电编码器固定在所述连接支架上且主轴与所述直流电机相连接；

将所述数据采集及控制电路并通过所述电机驱动电路与所述直流电机相连接，并将所述计算机及所述光电编码器与所述数据采集及控制电路相连接；

通过所述计算机向所述数据采集及控制电路发送启动命令；通过所述数据采集及控制电路根据所述启动命令控制所述电机驱动电路驱动所述直流电机转动；通过所述直流电机带动所述光电编码器同步转动；以及通过所述数据采集及控制电路采集所述光电编码器同步转动时所产生的莫尔条纹信号，以此得到所述光电编码器位置的角度数据，并将所述角度数据按照预设公式计算得到所述光电编码器的速度信息，并输出至所述计算机进行显示。

9.根据权利要求8所述的光电编码器精密测速方法，其特征在于，还包括：在所述光电编码器的指示光栅每1/4莫尔条纹间距处放置一个光电读数头，并共设置四个光电读数头。

10.根据权利要求9所述的光电编码器精密测速方法，其特征在于，所述数据采集及控制电路按照预设公式计算得到所述编码器速度信息的过程如下：

所述数据采集及控制电路采集四个光电读数头输出四路相位相差π/2的正弦电信号，经信号处理电路差分放大后，输出两路正余弦信号U_s,U_c

式(1)中，θ为莫尔条纹信号周期内的角度数据，U为莫尔条纹信号幅度；

设定所述光电编码器是做加速度变化很小的近似匀变速运动，选取三阶以下的运动方程进行讨论即可满足实际要求；

将t₀＝0时刻作为位移的起点，简化的运动方程如下：

θ(t)＝θ₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)²+a₃(t-t₀)³ (2)

式(2)中，θ₀,a₁,a₂,a₃分别为采样起始点的位置、角速度、角加速度和角加速度的变化率；

间隔相等的采样时刻，在t₀、t₁、t₂、t₃时刻分别对莫尔条纹光电信号进行采样，得到t_i时刻的两路正余弦信号U_s(t_i),U_c(t_i)，i＝0,1,2,3，由公式(3)计算得到t_i时刻的角度数据θ(t_i)

当和时，正切幅值过大造成溢出，所以在莫尔条纹周期内，对公式(3)进行分段讨论，得到

将所得到的θ(t_i)代入公式(2)式得到下列方程组：

通过高斯消去法求解未知数a₁、a₂、a₃，计算此次采样t₀～t₃的速度：

v＝a₁+2a₂(t-t₀)+3a₃(t-t₀)²,(t₀<t≤t₃) (6)

公式(6)是在莫尔条纹周期内得到的速度信息，设光电编码器精码刻划数为2ⁿ，n为精码码道位数，则实际速度信息为：

当进行下一次采样时，则此次采样的t₀时刻为上一次采样的t₁时刻；同理可以得出，每一时刻对应3个莫尔条纹运动方程，则该时刻3个速度方程的平均值，即为该时刻的速度v(t)

v_k(t)为t时刻的每一次计算所得到的光电编码器的速度信息。