CN111189482A - 一种断线检测装置、编码器及其断线检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种断线检测装置、编码器及其断线检测方法，该装置包括：检测单元，获取绝对式光电编码器的输出信号；处理单元，对绝对式光电编码器的输出信号进行处理，以得到绝对式光电编码器的电平信号；分析单元，基于绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的特性信息；以及，将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比，若绝对式光电编码器的特性信息与设定信息之间的差值不在设定差值范围内，则确定绝对式光电编码器出现断线现象。该方案，可以解决绝对式编码器的断线若发现不及时则会造成伺服驱动设备损坏甚至出现事故的问题，达到通过实现对绝对式编码器断线的及时检测以避免伺服驱动设备损坏甚至出现事故的效果。

Description

一种断线检测装置、编码器及其断线检测方法
技术领域
本发明属于伺服驱动技术领域，具体涉及一种断线检测装置、编码器及其断线检测方法，尤其涉及一种绝对式光电编码器断线检测系统、编码器及其断线检测方法。
背景技术
绝对式编码器广泛应用于伺服电机的驱动控制中，如果绝对式编码器有一相断线，驱动器就不能正常控制电机，如果发现不及时，可能会造成伺服驱动器损坏或电机飞车现象，甚至造成重大的伤害事故。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述缺陷，提供一种断线检测装置、编码器及其断线检测方法，以解决绝对式编码器的断线若发现不及时则会造成伺服驱动设备损坏甚至出现事故的问题，达到通过实现对绝对式编码器断线的及时检测以避免伺服驱动设备损坏甚至出现事故的效果。
本发明提供一种断线检测装置，包括：检测单元、处理单元和分析单元；其中，检测单元，用于获取绝对式光电编码器的输出信号；处理单元，用于对绝对式光电编码器的输出信号进行处理，以得到绝对式光电编码器的电平信号；分析单元，用于基于绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的特性信息；以及，将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比，若绝对式光电编码器的特性信息与设定信息之间的差值不在设定差值范围内，则确定绝对式光电编码器出现断线现象。
可选地，检测单元获取绝对式光电编码器的输出信号，包括：获取绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号，作为绝对式光电编码器的输出信号。
可选地，处理单元，包括：放大整形模块、译码模块和电平转换模块；其中，处理单元对绝对式光电编码器的输出信号进行处理，包括：放大整形模块，用于对绝对式光电编码器的输出信号进行放大整形处理，以使绝对式光电编码器的输出信号为设定幅值的设定波形信号，即得到绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号；译码模块，用于将绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号，转换为二进制码的电平信号；电平转换模块，用于将绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的二进制码的电平信号，转换为设定形式的电平信号。
可选地，放大整形模块，包括：电阻模块和比较模块；其中，放大整形模块对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理，包括：电阻模块，用于对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大处理，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号为设定幅值的设定直流信号；比较模块，用于对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定直流信号进行整流，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定直流信号为输出幅度等于电源电压的方波信号，作为绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号。
可选地，分析单元提取绝对式光电编码器的特性信息，包括：分析绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的输出信号的变化次数，作为绝对式光电编码器的特性信息；其中，绝对式光电编码器的输出信号的变化次数，包括：一个周期内绝对式光电编码器的每一位的输出信号的平均值，或一个周期内绝对式光电编码器的每一位的输出信号的变化次数。
与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种编码器，包括：以上所述的断线检测装置。
与上述编码器相匹配，本发明再一方面提供一种编码器的断线检测方法，包括：通过检测单元，获取绝对式光电编码器的输出信号；通过处理单元，对绝对式光电编码器的输出信号进行处理，以得到绝对式光电编码器的电平信号；通过分析单元，基于绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的特性信息；以及，将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比，若绝对式光电编码器的特性信息与设定信息之间的差值不在设定差值范围内，则确定绝对式光电编码器出现断线现象。
可选地，通过检测单元获取绝对式光电编码器的输出信号，包括：获取绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号，作为绝对式光电编码器的输出信号。
可选地，通过处理单元对绝对式光电编码器的输出信号进行处理，包括：通过放大整形模块，对绝对式光电编码器的输出信号进行放大整形处理，以使绝对式光电编码器的输出信号为设定幅值的设定波形信号，即得到绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号；通过译码模块，将绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号，转换为二进制码的电平信号；通过电平转换模块，将绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的二进制码的电平信号，转换为设定形式的电平信号。
可选地，通过放大整形模块对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理，包括：通过电阻模块，对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大处理，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号为设定幅值的设定直流信号；通过比较模块，对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定直流信号进行整流，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定直流信号为输出幅度等于电源电压的方波信号，作为绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号。
可选地，通过分析单元提取绝对式光电编码器的特性信息，包括：分析绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的输出信号的变化次数，作为绝对式光电编码器的特性信息；其中，绝对式光电编码器的输出信号的变化次数，包括：一个周期内绝对式光电编码器的每一位的输出信号的平均值，或一个周期内绝对式光电编码器的每一位的输出信号的变化次数。
本发明的方案，通过获取编码器的输出信号，分别将编码器的输出信号中各位输出平均值和周期内每位输出次数与理论值对比，以进行编码器是否断线判断，可以实现对编码器是否断线的快速且精准的判断。
进一步，本发明的方案，通过获取编码器的输出信号，分别将编码器的输出信号中各位输出平均值和周期内每位输出次数与理论值对比，以进行编码器是否断线判断，可以针对编码器断线进行快速报警。
进一步，本发明的方案，通过获取编码器的输出信号，分别将编码器的输出信号中各位输出平均值和周期内每位输出次数与理论值对比，以进行编码器是否断线判断，以在确定编码器有断线时及时控制驱动器停止工作，提升伺服驱动设备的安全性。
由此，本发明的方案，通过获取编码器的输出信号，分别将编码器的输出信号中各位输出平均值和周期内每位输出次数与理论值对比，以进行编码器是否断线判断，解决绝对式编码器的断线若发现不及时则会造成伺服驱动设备损坏甚至出现事故的问题，达到通过实现对绝对式编码器断线的及时检测以避免伺服驱动设备损坏甚至出现事故的效果。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，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而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的断线检测装置的一实施例的结构示意图；
图2为本发明的编码器的一实施例的断线检测系统的结构示意图；
图3为本发明的编码器的一实施例的信号处理原理示意图；
图4为本发明的编码器的一实施例的断线检测方法流程示意图；
图5为本发明的编码器的一实施例的断线检测原理示意图；
图6为本发明的断线检测方法的一实施例的流程示意图；
图7为本发明的方法中通过处理单元对绝对式光电编码器的输出信号进行处理的一实施例的流程示意图；
图8为本发明的方法中通过放大整形模块对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理的一实施例的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
根据本发明的实施例，提供了一种断线检测装置。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。该断线检测装置可以应用于绝对式光电编码器，绝对式光电编码器的断线检测装置，可以包括：检测单元、处理单元和分析单元。检测单元如信号检测单元、处理单元如信号处理单元和分析单元如数据分析单元，可以依次连接。
在一个可选例子中，检测单元，可以用于获取绝对式光电编码器的输出信号。
可选地，检测单元获取绝对式光电编码器的输出信号，可以包括：获取绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号，作为绝对式光电编码器的输出信号。
具体地，获取绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号时，可以获取绝对式光电编码器的码盘最内层输出的直流信号，作为绝对式光电编码器的输出信号。其中，绝对式光电编码器的码盘最内层输出的直流信号，可以用于表征绝对式光电编码器的每一位的输出信号的变化情况。
例如：假设编码器位数为n，由于编码器码盘最内层完全透明，能给出一个恒定的直流信号，来反映其他n位输出信号的变化，因此在电路中用这个信号来进行自动调整和补偿。
由此，通过将绝对式光电编码器的码盘通圈及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号，作为绝对式光电编码器的输出信号，使得对绝对式光电编码器的输出信号的获取方式方便、且获取结果精准，有利于提升基于此判断绝对式光电编码器是否断线的判断准确性。
在一个可选例子中，处理单元，可以用于对绝对式光电编码器的输出信号进行处理，以得到与绝对式光电编码器的输出信号对应的绝对式光电编码器的电平信号。
可选地，处理单元，可以包括：放大整形模块、译码模块和电平转换模块。放大整形模块、译码模块和电平转换模块，可以依次连接。
其中，处理单元对绝对式光电编码器的输出信号进行处理，可以包括：
一方面，放大整形模块，可以用于对绝对式光电编码器的输出信号进行放大整形处理，以使绝对式光电编码器的输出信号为设定幅值的设定波形信号，即得到绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号；即，对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号为设定幅值的设定波形信号。
具体地，放大整形模块，可以对绝对式光电编码器的码盘通圈输出的直流信号进行放大整形处理，以使绝对式光电编码器的码盘通圈输出的直流信号为设定幅值的设定波形信号。以及，对绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理，以使绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号也为设定幅值的设定波形信号。
例如：调节电位器使码盘通圈的输出电压为某一电压值，再通过调节各电阻的阻值，使编码器其他n位输出波形的直流电平也在该电压值，这样编码器的各位输出信号经过LM393比较器后，得到了整形，输出幅度等于电源电压的方波。
更可选地，放大整形模块，可以包括：电阻模块和比较模块。电阻模块，如调节电位器R0、电阻R1～R14。比较模块，如HC4070芯片。
其中，放大整形模块对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理，可以包括：
第一，电阻模块，可以用于通过调节电阻的阻值，对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大处理，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号为设定幅值的设定直流信号。
具体地，电阻模块，可以对绝对式光电编码器的码盘通圈输出的直流信号进行放大处理，以使绝对式光电编码器的码盘通圈输出的直流信号为设定幅值的设定直流信号；以及，对绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大处理，以使绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号也为设定幅值的设定直流信号。
例如：调节电位器R0，可以用于使码盘通圈的输出电压为某一电压值。电阻R1～R14，可以用于通过调整电阻值，使除通圈外其他14位输出波形的直流电平也在该电压值。
进而，比较模块，可以用于对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定直流信号进行整流，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定直流信号为输出幅度等于电源电压的方波信号，作为绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号。
例如：LM399比较器，可以用于将编码器的各位输出信号进行整流，输出幅度等于电源电压的方波。
由此，通过对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大和整形处理，可以得到绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号，处理方式简便、且处理结果精准。
进一步地，译码模块，可以用于将绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号，转换为二进制码的电平信号。
例如：译码模块，如HC4070芯片，具有半加器功能，可以用于将格林码转换为二进制码。
再进一步地，电平转换模块，可以用于将绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的二进制码的电平信号，转换为设定形式的电平信号。其中，设定形式的电平信号，如TTL电平。
例如：电平转换模块，如HC4050芯片，可以用于将变换后的二进制代码的电平变为TTL电平，与计算机接口电平相匹配。
由此，通过对绝对式光电编码器的输出信号进行放大整形、译码和电平转换处理，以将绝对式光电编码器的输出信号处理成设定形式的电平信号，处理方式可靠，且处理结果有利于方便且精准地判断绝对式光电编码器是否断线。
在一个可选例子中，分析单元，可以用于基于绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的特性信息；以及，将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比，若绝对式光电编码器的特性信息与设定信息之间的差值不在设定差值范围内，则确定绝对式光电编码器出现断线现象，从而控制与绝对式光电编码器相关联的伺服驱动设备停止工作，以避免伺服驱动设备损耗甚至出现事故。
例如：一种绝对式光电编码器断线检测系统，可以通过将编码器各位输出平均值和周期内每位输出次数与理论值对比，如可以通过对编码器的过程数据统计量的分析，提取绝对式光电编码器输出数据的主要特征，通过与理论值对比，从而进行编码器是否断线判断，实现针对绝对式光电编码器断线的快速检测和报警。
例如：主要添加了码盘通圈的自动补偿部分，电路能进行自动调整和补偿。具体地，可以通过对编码器过程数据统计量的分析，提取输出数据的主要特征，通过与理论值对比，从而进行编码器是否断线判断，即侧重点在断线检测算法，所以硬件电路设计简单方便。
由此，通过基于对绝对式光电编码器的输出信号进行处理得到的绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的特性信息；并将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比，若绝对式光电编码器的特性信息与设定信息之间的差值不在设定差值范围内，则确定绝对式光电编码器出现断线现象，从可以而控制与绝对式光电编码器相关联的伺服驱动设备停止工作，以避免伺服驱动设备损耗甚至出现事故，提升伺服驱动设备自身及运行的安全性。
可选地，分析单元提取绝对式光电编码器的特性信息，可以包括：分析绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的输出信号的变化次数，作为绝对式光电编码器的特性信息。其中，绝对式光电编码器的输出信号的变化次数，可以包括：一个周期内绝对式光电编码器的每一位的输出信号的平均值，或一个周期内绝对式光电编码器的每一位的输出信号的变化次数。
具体地，分析单元，可以基于绝对式光电编码器的电平信号，分析绝对式光电编码器的输出信号的变化情况，确定绝对式光电编码器输出的每个状态的出现次数，即确定绝对式光电编码器的输出信号的变化次数。进而，将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比，若绝对式光电编码器的特性信息与设定信息之间的差值不在设定差值范围内，则确定绝对式光电编码器出现断线现象。
例如：数据分析单元，断线检测原理可以如图3和图4所示：利用了基于随机采样和基于相关变化的随机采样故障特征提取方法。绝对式光电编码器输出数据特征定义为：
Figure BDA0002364789040000091
xi＝{0,1}，式中，n为光电编码器总位数，xi表示每一位数据或为0、或为1的两个状态。该检测方法通过分析编码器输出数据的变化，当抽样点足够多时，编码器输出的每个状态出现的频率就越接近。
其中，每一位输出的平均值为：
Figure BDA0002364789040000092
式中，k为采样点，k为编码器每一位最大可能的状态个数，即若为二进制编码器，则k＝2，即每一位输出的平均值接近0.5。
光电编码器旋转一周，第i位的变化次数式为：k(i)＝2n-i+1，式中，n为光电编码器总位数。通过统计编码器旋转一个周期内输出各位的变化次数，并与理论值对比，可以判断当前光电编码器是否断线。其中，具体判断步骤可以包括：
第一步：记录各位的状态变化值ki，采样不足时采样数据小于Kn/2，纪录低位的数据。
第二步：找出当前有状态变化的最大为α。其中，采样范围为γ：Kα-1≤γ≤Kα。
第三步：对数据进行归一化处理：
Figure BDA0002364789040000093
则当i>α时，有：ki＝ki＝0，i＝α+1、…、n，得到：
Figure BDA0002364789040000094
判断结果中，当
Figure BDA0002364789040000095
满足上式时，表示编码器正常；如果远远大于或是小于1，则编码器断线。当采样数不足时，归一化后的值小于1，计算出现故障的低位的平均值，满足：
Figure BDA0002364789040000096
则正常，不满足判断编码器断线。
由此，通过将绝对式光电编码器的电平信号的变化次数作为绝对式光电编码器的特性信息，进而将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比确定绝对式光电编码器是否出现断线现象，可以及时且准确地判断绝对式光电编码器是否断线。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过获取编码器的输出信号，分别将编码器的输出信号中各位输出平均值和周期内每位输出次数与理论值对比，以进行编码器是否断线判断，可以实现对编码器是否断线的快速且精准的判断。
根据本发明的实施例，还提供了对应于断线检测装置的一种编码器。该编码器可以包括：以上所述的断线检测装置。
在一个可选实施方式中，本发明的方案，提出一种绝对式光电编码器断线检测系统，能针对编码器断线快速报警；而且，该检测系统所涉及的检测方法，算法简单，不需要额外标定，检测准确。
具体地，可以通过对编码器的过程数据统计量的分析，提取绝对式光电编码器输出数据的主要特征，通过与理论值对比，从而进行编码器是否断线判断。
例如：对绝对式编码器而言，可以通过将编码器各位输出平均值和周期内每位输出次数与理论值对比。
其中，绝对式编码器的位置值(即位置信息)，可以直接从绝对式编码器读取其数码值；并且，绝对式编码器的位置信息与其数码值的输出数据唯一对应，抗干扰能力强。在掉电期间绝对式编码器的数码值不掉数，能保留绝对式编码器的当前位置值，重启后能立即获取绝对式编码器的当前位置值，数据可靠性高。
在一个可选具体实施方式中，可以参见图2至图5所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。
在一个可选具体实施方式中，绝对式光电编码器断线检测系统，可以主要由信号检测单元、信号处理单元和数据分析单元的三部分组成，可以参见图2所示的例子。其中，信号处理单元，主要可以由放大整形电路、译码电路、电平转换电路等电路组成。
例如：信号检测单元由两个聚光镜、两个转向棱镜和光敏元件组成。光源通过两个聚光镜将光变成汇聚光束，再经过两个转向棱镜，使光照射到码盘上，通过输出一条狭细光束，而后照射到光敏元件上，将光能变成电信号输出。输出信号具体可以是电压信号、电流信号等，形式为矩形波、方波等。
参见图3所示的例子，信号处理单元，主要添加了码盘通圈的自动补偿部分，电路能进行自动调整和补偿。具体地，可以通过对编码器过程数据统计量的分析，提取输出数据的主要特征，通过与理论值对比，从而进行编码器是否断线判断，即侧重点在断线检测算法，所以硬件电路设计简单方便。
例如：如一个14位绝对式光电编码器，它的码盘最内层(即第15圈)是完全透明通光的，称作通圈，它能给出一个恒定的直流信号来反映其他14位的输出信号的变化。
图3中，调节电位器R0，用于使码盘通圈的输出电压为某一电压值。电阻R1～R14，用于通过调整电阻值，使除通圈外其他14位输出波形的直流电平也在该电压值。LM399比较器，用于将编码器的各位输出信号进行整流，输出幅度等于电源电压的方波。HC4070芯片，具有半加器功能，用于将格林码转换为二进制码。HC4050芯片，用于将变换后的二进制代码的电平变为TTL电平，与计算机接口电平相匹配。
编码器信号处理原理可以如图3所示。假设编码器位数为n，由于编码器码盘最内层完全透明，能给出一个恒定的直流信号，来反映其他n位输出信号的变化，因此在电路中用这个信号来进行自动调整和补偿。调节电位器使码盘通圈的输出电压为某一电压值，再通过调节各电阻的阻值，使编码器其他n位输出波形的直流电平也在该电压值，这样编码器的各位输出信号经过LM393比较器后，得到了整形，输出幅度等于电源电压的方波。
例如：检测信号为编码器位数，即n位编码器检测信号则为n位。每一位都检测，由于编码器最内层能给出一恒定的直流信号，其余n位检测到的信号可以将该信号作为参照进行对比。
例如：从+15V电源出来电路分为两路，一路为通圈连接电位器，一路为各位发光二极管连接各滑动变阻，就调节滑动电阻R1～R14的阻值。
数据分析单元，断线检测原理可以如图4和图5所示：利用了基于随机采样和基于相关变化的随机采样故障特征提取方法。绝对式光电编码器输出数据特征定义如下式：
Figure BDA0002364789040000121
xi＝{0,1}，式中，n为光电编码器总位数，xi表示每一位数据或为0、或为1的两个状态。该检测方法通过分析编码器输出数据的变化，当抽样点足够多时，编码器输出的每个状态出现的频率就越接近。每一位输出的平均值为：
Figure BDA0002364789040000122
式中，k为采样点，k为编码器每一位最大可能的状态个数，即若为二进制编码器，则k＝2，即每一位输出的平均值接近0.5。
光电编码器旋转一周，第i位的变化次数式为：k(i)＝2n-i+1，式中，n为光电编码器总位数。通过统计编码器旋转一个周期内输出各位的变化次数，并与理论值对比，可以判断当前光电编码器是否断线。判断具体步骤可以如下：
第一步：记录各位的状态变化值ki，采样不足时采样数据小于Kn/2，纪录低位的数据。
第二步：找出当前有状态变化的最大位α。其中，采样范围为γ：Kα-1≤γ≤Kα。
第三步：对数据进行归一化处理：
Figure BDA0002364789040000123
则当i>α时，有：
Figure BDA0002364789040000124
得到：
Figure BDA0002364789040000125
判断结果中，当
Figure BDA0002364789040000126
满足上式时，表示编码器正常；如果远远大于或是小于1，则编码器断线。
当采样数不足时，归一化后的值小于1，计算出现故障的低位的平均值，满足：
Figure BDA0002364789040000127
则正常，不满足判断编码器断线。
由于本实施例的编码器所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过获取编码器的输出信号，分别将编码器的输出信号中各位输出平均值和周期内每位输出次数与理论值对比，以进行编码器是否断线判断，可以针对编码器断线进行快速报警。
根据本发明的实施例，还提供了对应于编码器的一种编码器的断线检测方法，如图6所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。该编码器的断线检测方法可以应用于绝对式光电编码器，绝对式光电编码器的断线检测方法，可以包括：步骤S110至步骤S130。
在步骤S110处，通过检测单元，获取绝对式光电编码器的输出信号。
可选地，步骤S110中通过检测单元获取绝对式光电编码器的输出信号，可以包括：获取绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号，作为绝对式光电编码器的输出信号。
具体地，获取绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号时，可以获取绝对式光电编码器的码盘最内层输出的直流信号，作为绝对式光电编码器的输出信号。其中，绝对式光电编码器的码盘最内层输出的直流信号，可以用于表征绝对式光电编码器的每一位的输出信号的变化情况。
例如：假设编码器位数为n，由于编码器码盘最内层完全透明，能给出一个恒定的直流信号，来反映其他n位输出信号的变化，因此在电路中用这个信号来进行自动调整和补偿。
由此，通过将绝对式光电编码器的码盘通圈及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号，作为绝对式光电编码器的输出信号，使得对绝对式光电编码器的输出信号的获取方式方便、且获取结果精准，有利于提升基于此判断绝对式光电编码器是否断线的判断准确性。
在步骤S120处，通过处理单元，对绝对式光电编码器的输出信号进行处理，以得到与绝对式光电编码器的输出信号对应的绝对式光电编码器的电平信号。
可选地，步骤S120通过处理单元对绝对式光电编码器的输出信号进行处理的具体过程，可以参见以下示例性说明。
下面结合图7所示本发明的方法中通过处理单元对绝对式光电编码器的输出信号进行处理的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S120中通过处理单元对绝对式光电编码器的输出信号进行处理的具体过程，可以包括：步骤S210至步骤S230。
步骤S210，通过放大整形模块，对绝对式光电编码器的输出信号进行放大整形处理，以使绝对式光电编码器的输出信号为设定幅值的设定波形信号，即得到绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号；即，对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号为设定幅值的设定波形信号。
具体地，放大整形模块，可以对绝对式光电编码器的码盘通圈输出的直流信号进行放大整形处理，以使绝对式光电编码器的码盘通圈输出的直流信号为设定幅值的设定波形信号；以及，对绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理，以使绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号也为设定幅值的设定波形信号。
例如：调节电位器使码盘通圈的输出电压为某一电压值，再通过调节各电阻的阻值，使编码器其他n位输出波形的直流电平也在该电压值，这样编码器的各位输出信号经过LM393比较器后，得到了整形，输出幅度等于电源电压的方波。
更可选地，步骤S210中通过放大整形模块对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理的具体过程，可以参见以下示例性说明。
下面结合图8所示本发明的方法中通过放大整形模块对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S120中通过放大整形模块对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理的具体过程，可以包括：步骤S310和步骤S320。
步骤S310，通过电阻模块，通过调节电阻的阻值，对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大处理，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号为设定幅值的设定直流信号。
具体地，电阻模块，可以对绝对式光电编码器的码盘通圈输出的直流信号进行放大处理，以使绝对式光电编码器的码盘通圈输出的直流信号为设定幅值的设定直流信号；以及，对绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大处理，以使绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号也为设定幅值的设定直流信号。
例如：调节电位器R0，可以用于使码盘通圈的输出电压为某一电压值。电阻R1～R14，可以用于通过调整电阻值，使除通圈外其他14位输出波形的直流电平也在该电压值。
步骤S320，通过比较模块，对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定直流信号进行整流，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定直流信号为输出幅度等于电源电压的方波信号，作为绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号。
例如：LM399比较器，可以用于将编码器的各位输出信号进行整流，输出幅度等于电源电压的方波。
由此，通过对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大和整形处理，可以得到绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号，处理方式简便、且处理结果精准。
步骤S220，通过译码模块，将绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号，转换为二进制码的电平信号。
例如：译码模块，如HC4070芯片，具有半加器功能，可以用于将格林码转换为二进制码。
步骤S230，通过电平转换模块，将绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的二进制码的电平信号，转换为设定形式的电平信号。其中，设定形式的电平信号，如TTL电平。
例如：电平转换模块，如HC4050芯片，可以用于将变换后的二进制代码的电平变为TTL电平，与计算机接口电平相匹配。
由此，通过对绝对式光电编码器的输出信号进行放大整形、译码和电平转换处理，以将绝对式光电编码器的输出信号处理成设定形式的电平信号，处理方式可靠，且处理结果有利于方便且精准地判断绝对式光电编码器是否断线。
在步骤S130处，通过分析单元，基于绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的特性信息；以及，将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比，若绝对式光电编码器的特性信息与设定信息之间的差值不在设定差值范围内，则确定绝对式光电编码器出现断线现象，从而控制与绝对式光电编码器相关联的伺服驱动设备停止工作，以避免伺服驱动设备损耗甚至出现事故。
例如：一种绝对式光电编码器断线检测系统，可以通过将编码器各位输出平均值和周期内每位输出次数与理论值对比，如可以通过对编码器的过程数据统计量的分析，提取绝对式光电编码器输出数据的主要特征，通过与理论值对比，从而进行编码器是否断线判断，实现针对绝对式光电编码器断线的快速检测和报警。
例如：主要添加了码盘通圈的自动补偿部分，电路能进行自动调整和补偿。具体地，可以通过对编码器过程数据统计量的分析，提取输出数据的主要特征，通过与理论值对比，从而进行编码器是否断线判断，即侧重点在断线检测算法，所以硬件电路设计简单方便。
由此，通过基于对绝对式光电编码器的输出信号进行处理得到的绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的特性信息；并将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比，若绝对式光电编码器的特性信息与设定信息之间的差值不在设定差值范围内，则确定绝对式光电编码器出现断线现象，从可以而控制与绝对式光电编码器相关联的伺服驱动设备停止工作，以避免伺服驱动设备损耗甚至出现事故，提升伺服驱动设备自身及运行的安全性。
可选地，步骤S130中通过分析单元提取绝对式光电编码器的特性信息，可以包括：分析绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的输出信号的变化次数，作为绝对式光电编码器的特性信息。其中，绝对式光电编码器的输出信号的变化次数，可以包括：一个周期内绝对式光电编码器的每一位的输出信号的平均值，或一个周期内绝对式光电编码器的每一位的输出信号的变化次数。
具体地，分析单元，可以基于绝对式光电编码器的电平信号，分析绝对式光电编码器的输出信号的变化情况，确定绝对式光电编码器输出的每个状态的出现次数，即确定绝对式光电编码器的输出信号的变化次数。进而，将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比，若绝对式光电编码器的特性信息与设定信息之间的差值不在设定差值范围内，则确定绝对式光电编码器出现断线现象。
例如：数据分析单元，断线检测原理可以如图3和图4所示：利用了基于随机采样和基于相关变化的随机采样故障特征提取方法。绝对式光电编码器输出数据特征定义为：
Figure BDA0002364789040000171
xi＝{0,1}，式中，n为光电编码器总位数，xi表示每一位数据或为0、或为1的两个状态。该检测方法通过分析编码器输出数据的变化，当抽样点足够多时，编码器输出的每个状态出现的频率就越接近。
其中，每一位输出的平均值为：
Figure BDA0002364789040000172
式中，k为采样点，k为编码器每一位最大可能的状态个数，即若为二进制编码器，则k＝2，即每一位输出的平均值接近0.5。
光电编码器旋转一周，第i位的变化次数式为：k(i)＝2n-i+1，式中，n为光电编码器总位数。通过统计编码器旋转一个周期内输出各位的变化次数，并与理论值对比，可以判断当前光电编码器是否断线。其中，具体判断步骤可以包括：
第一步：记录各位的状态变化值ki，采样不足时采样数据小于Kn/2，纪录低位的数据。
第二步：找出当前有状态变化的最大为α。其中，采样范围为γ：Kα-1≤γ≤Kα。
第三步：对数据进行归一化处理：
Figure BDA0002364789040000173
则当i>α时，有：
Figure BDA0002364789040000174
得到：
Figure BDA0002364789040000175
判断结果中，当
Figure BDA0002364789040000176
满足上式时，表示编码器正常；如果远远大于或是小于1，则编码器断线。当采样数不足时，归一化后的值小于1，计算出现故障的低位的平均值，满足：
Figure BDA0002364789040000177
则正常，不满足判断编码器断线。
由此，通过将绝对式光电编码器的电平信号的变化次数作为绝对式光电编码器的特性信息，进而将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比确定绝对式光电编码器是否出现断线现象，可以及时且准确地判断绝对式光电编码器是否断线。
由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述编码器的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过获取编码器的输出信号，分别将编码器的输出信号中各位输出平均值和周期内每位输出次数与理论值对比，以进行编码器是否断线判断，以在确定编码器有断线时及时控制驱动器停止工作，提升伺服驱动设备的安全性。
综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的实施例而已，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权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种断线检测装置，其特征在于，包括：检测单元、处理单元和分析单元；其中，
检测单元，用于获取绝对式光电编码器的输出信号；
处理单元，用于对绝对式光电编码器的输出信号进行处理，以得到绝对式光电编码器的电平信号；
分析单元，用于基于绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的特性信息；以及，将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比，若绝对式光电编码器的特性信息与设定信息之间的差值不在设定差值范围内，则确定绝对式光电编码器出现断线现象。
2.根据权利要求1所述的断线检测装置，其特征在于，检测单元获取绝对式光电编码器的输出信号，包括：
获取绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号，作为绝对式光电编码器的输出信号。
3.根据权利要求1或2所述的断线检测装置，其特征在于，处理单元，包括：放大整形模块、译码模块和电平转换模块；其中，
处理单元对绝对式光电编码器的输出信号进行处理，包括：
放大整形模块，用于对绝对式光电编码器的输出信号进行放大整形处理，以使绝对式光电编码器的输出信号为设定幅值的设定波形信号，即得到绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号；
译码模块，用于将绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号，转换为二进制码的电平信号；
电平转换模块，用于将绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的二进制码的电平信号，转换为设定形式的电平信号。
4.根据权利要求3所述的断线检测装置，其特征在于，放大整形模块，包括：电阻模块和比较模块；其中，
放大整形模块对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理，包括：
电阻模块，用于对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大处理，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号为设定幅值的设定直流信号；
比较模块，用于对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定直流信号进行整流，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定直流信号为输出幅度等于电源电压的方波信号，作为绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号。
5.根据权利要求1或2所述的断线检测装置，其特征在于，分析单元提取绝对式光电编码器的特性信息，包括：
分析绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的输出信号的变化次数，作为绝对式光电编码器的特性信息；其中，绝对式光电编码器的输出信号的变化次数，包括：一个周期内绝对式光电编码器的每一位的输出信号的平均值，或一个周期内绝对式光电编码器的每一位的输出信号的变化次数。
6.一种编码器，其特征在于，包括：如权利要求1-5任一所述的断线检测装置。
7.一种如权利要求6所述的编码器的断线检测方法，其特征在于，包括：
通过检测单元，获取绝对式光电编码器的输出信号；
通过处理单元，对绝对式光电编码器的输出信号进行处理，以得到绝对式光电编码器的电平信号；
通过分析单元，基于绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的特性信息；以及，将绝对式光电编码器的特性信息与设定信息进行对比，若绝对式光电编码器的特性信息与设定信息之间的差值不在设定差值范围内，则确定绝对式光电编码器出现断线现象。
8.根据权利要求7所述的断线检测方法，其特征在于，通过检测单元获取绝对式光电编码器的输出信号，包括：
获取绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号，作为绝对式光电编码器的输出信号。
9.根据权利要求7或8所述的断线检测方法，其特征在于，通过处理单元对绝对式光电编码器的输出信号进行处理，包括：
通过放大整形模块，对绝对式光电编码器的输出信号进行放大整形处理，以使绝对式光电编码器的输出信号为设定幅值的设定波形信号，即得到绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号；
通过译码模块，将绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号，转换为二进制码的电平信号；
通过电平转换模块，将绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的二进制码的电平信号，转换为设定形式的电平信号。
10.根据权利要求9所述的断线检测方法，其特征在于，通过放大整形模块对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大整形处理，包括：
通过电阻模块，对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号进行放大处理，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的直流信号为设定幅值的设定直流信号；
通过比较模块，对绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定直流信号进行整流，以使绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定直流信号为输出幅度等于电源电压的方波信号，作为绝对式光电编码器的码盘通圈、以及绝对式光电编码器的每一位输出的设定幅值的设定波形信号。
11.根据权利要求7或8所述的断线检测方法，其特征在于，通过分析单元提取绝对式光电编码器的特性信息，包括：
分析绝对式光电编码器的电平信号，提取绝对式光电编码器的输出信号的变化次数，作为绝对式光电编码器的特性信息；其中，绝对式光电编码器的输出信号的变化次数，包括：一个周期内绝对式光电编码器的每一位的输出信号的平均值，或一个周期内绝对式光电编码器的每一位的输出信号的变化次数。
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