CN111537005B - 一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法 - Google Patents

一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法，属于电机控制技术领域。它解决了对增量式编码器密闭的机械结构出现破损或者瑕疵时增量式编码器信号出现丢失的问题。本处理方法用于当增量式光电编码器信号丢失时对丢失的增量式光电编码器信号进行预测并得出对应丢失信号的信号预测值，包括如下步骤：S1、对现期数据值Yt进行二次指数平滑法预测；S2、进行插值与拟合处理；S3、进行一元回归分析处理；S4、进行趋势预测算法得出对应信号丢失的信号预测值。本处理方法具有在对增量式编码器密闭的机械结构出现破损或者瑕疵导致信号丢失时能够准确预测其丢失信号值从而信号连续有效避免控制系统无法正常工作，以提升系统稳定性的优点。

Description

一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，涉及一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法。
背景技术
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90&ordm，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。
作为驱动缝纫机的主要部件电机，其必不可少的一个部分就是位置传感器，又称编码器，为了满足市场更高的要求，现在一般采用光电编码器。由于增量式编码器具有高精度以及高分辨率的特点，因此，越来越多采用增量式编码器。如公开的公开号为CN106301105A，名称为基于增量式光电编码器多极电机磁极位置检测方法的中国专利，该方法利用增量式编码器、倍频电路、计数器、存储器及清零回路来实现，初始状态通过磁极定位找到磁极的初始状态；然后进行上电运行当转子转过一个角度时光电编码器发出一个脉冲信号，通过计时器计数得到可以被控制电路读取的数字信号，即转子的位置信号。但增量式编码器也存在一定的缺点，其中最突出的就是对于恶劣环境下使用提出的高保护要求，否则环境因素可能会造成增量式编码器的信号容易丢失，导致控制系统崩溃的严重后果。
为了解决上述问题，现有一般采用机械结构完全密封的方式，就是通过机械结构将增量式编码器完全密封起来以避免外界环境对其的影响。但仍然会存在以下可能问题：在使用中，一旦用于对增量式编码器密闭的机械结构出现破损或者瑕疵的时候，外界环境就会对其进行影响，从而可能导致增量式编码器信号丢失进而导致控制系统无法正常工作，甚至崩溃。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出了一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法，用于当增量式光电编码器信号丢失时对丢失的增量式光电编码器信号进行预测并得出对应丢失信号的信号预测值，其特征在于，定义现期数据值Yt为现期的实际数据值，现期为程序执行的第t个时钟周期，即预测前最后一个时钟周期的实际数据值；
Figure GDA0003452226390000021
为现期往后第T个时钟周期的预测值；该处理方法包括如下步骤：
S1、对现期数据值Yt进行二次指数平滑法预测，具体预测计算公式如下：
Figure GDA0003452226390000022
其中，
Figure GDA0003452226390000023
Figure GDA0003452226390000024
α为平滑常数，0＜α＜1；St为现期的一个中间计算值，
Figure GDA0003452226390000031
为St一次指数的平滑值，
Figure GDA0003452226390000032
为St二次指数的平滑值；定义该步骤得到的
Figure GDA0003452226390000033
值为
Figure GDA0003452226390000034
(指数)；
S2、进行插值与拟合处理，具体计算公式如下：
Figure GDA0003452226390000035
其中，
Figure GDA0003452226390000036
Figure GDA0003452226390000037
为现期往后第T期预测值与第T-1期预测值之间的变化量，m为判断阈值；定义该步骤得到的
Figure GDA0003452226390000038
值为
Figure GDA0003452226390000039
(插值)；
S3、进行一元回归分析处理，具体计算公式如下：
Figure GDA00034522263900000310
其中，L、J为常数，
Figure GDA00034522263900000311
自变量为调速器指令大小；定义该步骤得到的
Figure GDA00034522263900000312
值为
Figure GDA00034522263900000313
(回归)；
S4、进行趋势预测算法得出对应信号丢失的信号预测值，具体计算公式如下：
Figure GDA00034522263900000314
其中，k1+k2+k3＝1。
在上述的一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法中，所述的现期为信号丢失前的最后一个时钟周期，或者是信号丢失前的所有时钟周期中的其中一个时钟周期。
在上述的一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法中，所述的实际数据值为对应检测得到位置增量信息的数字信号值，即现期增量式光电编码器实时反馈值。
在上述的一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法中，所述的步骤S1中的α值根据以下不同环境条件具有如下几个值：
当系统状态呈现稳定的水平趋势时，所述α＝0.2；
当系统状态趋势波动较大且呈无规律性时，所述α＝0.5；
当系统状态呈现稳定的上升或下降趋势时，所述α＝0.8。
在上述的一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法中，所述步骤S3中的
Figure GDA0003452226390000041
自变量为预测前调速器输入情况拟合，用于反映增量式光电编码器的变化趋势，
Figure GDA0003452226390000042
相对
Figure GDA0003452226390000043
(回归)有明显滞后性。
在上述的一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法中，相关系数根据拟定原则来进行拟定，所述拟定原则为保证平均绝对差的计算值最小，所述平均绝对差MAE的计算公式如下：
Figure GDA0003452226390000044
其中，n为多次连续预测时的次数。
与现有技术相比，本处理方法在对增量式编码器密闭的机械结构出现破损或者瑕疵导致信号丢失时能够准确预测其丢失信号值从而信号连续有效避免控制系统无法正常工作，以提升系统稳定性，增强抗干扰能力；且通过多种预测算法相互结合的组合式预测算法，有效避免了特定工况下某一种算法的不可靠性，提高预测准确性；而且本处理方法由软件算法直接实现，不需要额外增加硬件及检测电路，从而成本低。
附图说明
图1是本增量式光电编码器信号丢失的处理方法的流程图。
图2是本增量式光电编码器信号丢失的处理方法中的各模块的连接框图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本实施例提供了一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法，特别是应用在工业缝纫机的电控系统中，用于当增量式光电编码器信号丢失时对丢失的增量式光电编码器信号进行预测并得出对应丢失信号的信号预测值，具体的是对增量式光电编码器丢失的位置增量信息进行预测。如图2所示，本实施例应用的工业缝纫机包括主控模块、电机驱动模块和电机模块三个基本模块，其中，主控模块用于控制电机驱动模块，给出特定的大小与方向的电压矢量，同时接收电机模块反馈的位置增量信息，用于进行电压矢量方向切换；电机驱动模块用于接收主控模块的控制信号，给出电压矢量驱动信号控制电机定子三相绕组；电机模块主要包括永磁同步电机以及位置传感器，其位置传感器为增量式光电编码器，永磁同步电机根据电压矢量驱动信号在定子产生特定磁场，电机转子在磁场的作用下发生运动，通过位置传感器将运动信息反馈给主控模块，进行下一步控制，本控制系统为双闭环控制系统，包括速度环控制程序和电流环控制程序。
具体信号预测值的预测方法如下：
定义现期数据值Yt为现期的实际数据值，现期为程序执行的第t个时钟周期，即预测前最后一个时钟周期的实际数据值；
Figure GDA0003452226390000051
为现期往后第T个时钟周期的预测值；现期为信号丢失前的最后一个时钟周期，或者是信号丢失前的所有时钟周期中的其中一个时钟周期，实际数据值为对应检测得到位置增量信息的数字信号值，即现期增量式光电编码器实时位置增量信息反馈值，该处理方法包括如下步骤：
S1、对现期数据值Yt进行二次指数平滑法预测，具体预测计算公式如下：Yt
Figure GDA0003452226390000061
其中，
Figure GDA0003452226390000062
Figure GDA0003452226390000063
α为平滑常数，0<α<1；St为现期的一个中间计算值，
Figure GDA0003452226390000064
为St一次指数的平滑值，
Figure GDA0003452226390000065
为St二次指数的平滑值；定义该步骤得到的
Figure GDA0003452226390000066
值为
Figure GDA0003452226390000067
(指数)；
α值根据以下不同环境条件具有如下几个值：
当系统状态呈现稳定的水平趋势时，所述α＝0.2；
当系统状态趋势波动较大且呈无规律性时，所述α＝0.5；
当系统状态呈现稳定的上升或下降趋势时，所述α＝0.8。
其中，系统状态是指信号丢失前，系统对增量式光电编码器反馈的位置增量信息的实际值连续变化的一个趋势；比如加减速运行对应为上升和下降趋势，匀速运行对应稳定水平趋势，不断调速控制对应波动较大且呈无规律性趋势。
S2、进行插值与拟合处理，具体计算公式如下：
Figure GDA0003452226390000068
其中，
Figure GDA0003452226390000069
Figure GDA00034522263900000610
为现期往后第T期预测值与第T-1期预测值之间的变化量，m为判断阈值；定义该步骤得到的
Figure GDA00034522263900000611
值为
Figure GDA00034522263900000612
(插值)；
其中，m是一个判断阈值，由于信号丢失前的正常情况下时，前后信号之间的变化是有一个确定的区间的，这个区间的边界就是判断阈值m，当超出这个判断阈值m时就可以认为发生了异常，将上一次的预测值插入到当前预测值作为数据拟合使用。
S3、进行一元回归分析处理，具体计算公式如下：
Figure GDA0003452226390000071
其中，L、J为常数，
Figure GDA0003452226390000072
自变量为调速器指令大小；定义该步骤得到的
Figure GDA0003452226390000073
值为
Figure GDA0003452226390000074
(回归)；
其中，L为缝纫机电控系统中的转动惯量，J为缝纫机电控系统中的负载，调速器指令为变化量，即为
Figure GDA0003452226390000075
自变量。
Figure GDA0003452226390000076
自变量为预测前调速器输入情况拟合，用于反映增量式光电编码器的变化趋势，
Figure GDA0003452226390000077
相对
Figure GDA0003452226390000078
(回归)有明显滞后性。缝纫机系统是根据调速器的输入量来给出速度指令的，也就是输入越强给出的速度指令越大，期望达到的实际运行速度越大，对应反馈值越大。
S4、进行趋势预测算法得出对应信号丢失的信号预测值，具体计算公式如下：
Figure GDA0003452226390000079
其中，k1+k2+k3＝1。
相关系数根据拟定原则来进行拟定，拟定原则为保证平均绝对差的计算值最小，平均绝对差MAE的计算公式如下：
Figure GDA00034522263900000710
其中，相关系数为步骤S4中的k1、k2、k3，步骤S4给出了三者的和等于1，各自具体值多少需要通过该公式进行拟定给出。n表示多次连续预测时的次数，当预测n次数据后，将预测值与实际值进行误差计算，综合判断取最小误差，考虑到系统运行的一个滞后性，根据实际测试情况，这里的n值一般取5-10。
本处理方法在对增量式编码器密闭的机械结构出现破损或者瑕疵导致信号丢失时能够准确预测其丢失信号值从而信号连续有效避免控制系统无法正常工作，以提升系统稳定性，增强抗干扰能力；且通过二次指数平滑法预测、进行插值与拟合处理、进行一元回归分析处理和趋势预测算法等多种预测方法相互结合的组合式预测算法，有效避免了特定工况下某一种算法的不可靠性，提高预测准确性；而且本处理方法由软件算法直接实现，不需要额外增加硬件及检测电路，从而成本低。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法，用于当增量式光电编码器信号丢失时对丢失的增量式光电编码器信号进行预测并得出对应丢失信号的信号预测值，其特征在于，定义现期数据值Yt为现期的实际数据值，现期为程序执行的第t个时钟周期，即预测前最后一个时钟周期的实际数据值；
Figure FDA0003452226380000011
为现期往后第T个时钟周期的预测值；该处理方法包括如下步骤：
S1、对现期数据值Yt进行二次指数平滑法预测，具体预测计算公式如下：
Figure FDA0003452226380000012
其中，
Figure FDA0003452226380000013
Figure FDA0003452226380000014
α为平滑常数，0<α<1；St为现期的一个中间计算值，
Figure FDA0003452226380000015
为St一次指数的平滑值，
Figure FDA0003452226380000016
为St二次指数的平滑值；定义该步骤得到的
Figure FDA0003452226380000017
值为
Figure FDA0003452226380000018
(指数)；
S2、进行插值与拟合处理，具体计算公式如下：
Figure FDA0003452226380000019
其中，
Figure FDA00034522263800000110
Figure FDA00034522263800000111
为现期往后第T期预测值与第T-1期预测值之间的变化量，m为判断阈值；定义该步骤得到的
Figure FDA00034522263800000112
值为
Figure FDA00034522263800000113
(插值)；
S3、进行一元回归分析处理，具体计算公式如下：
Figure FDA00034522263800000114
其中，L、J为常数，
Figure FDA0003452226380000021
自变量为调速器指令大小；定义该步骤得到的
Figure FDA0003452226380000022
值为
Figure FDA0003452226380000023
(回归)；
S4、进行趋势预测算法得出对应信号丢失的信号预测值，具体计算公式如下：
Figure FDA0003452226380000024
其中，k1+k2+k3＝1。
2.根据权利要求1所述的一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法，其特征在于，所述的现期为信号丢失前的最后一个时钟周期，或者是信号丢失前的所有时钟周期中的其中一个时钟周期。
3.根据权利要求2所述的一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法，其特征在于，所述的实际数据值为对应检测得到位置增量信息的数字信号值，即现期增量式光电编码器实时反馈值。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法，其特征在于，所述的步骤S1中的α值根据以下不同环境条件具有如下几个值：
当系统状态呈现稳定的水平趋势时，所述α＝0.2；
当系统状态趋势波动较大且呈无规律性时，所述α＝0.5；
当系统状态呈现稳定的上升或下降趋势时，所述α＝0.8。
5.根据权利要求4所述的一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法，其特征在于，所述的步骤S3中的
Figure FDA0003452226380000025
自变量为预测前调速器输入情况拟合，用于反映增量式光电编码器的变化趋势，
Figure FDA0003452226380000026
相对
Figure FDA0003452226380000027
(回归)有明显滞后性。
6.根据权利要求5所述的一种增量式光电编码器信号丢失的处理方法，其特征在于，相关系数根据拟定原则来进行拟定，所述拟定原则为保证平均绝对差的计算值最小，所述平均绝对差MAE的计算公式如下：
Figure FDA0003452226380000031
其中，n为多次连续预测时的次数。
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