CN112461274A - 一种圆光栅编码器信号生成算法 - Google Patents

一种圆光栅编码器信号生成算法 Download PDF

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Abstract

一种圆光栅编码器信号生成算法，涉及信号源发生技术领域，特别是模拟圆光栅编码器的信号生成算法。本发明针对现有的圆光栅编码器信号发生器存在的输出信号无法与圆光栅编码器测量系统建立直接关系、无法模拟测量对象不同运动模型的局限性，提出了一种圆光栅编码器信号生成算法。该算法的技术要点为：通过设置圆光栅编码器结构参数、测量对象运动模型参数及信号输出参数，确定圆光栅编码器工作的初始状态，计算测量对象做圆周运动时圆光栅编码器的输出信号。本发明可应用于圆光栅编码器信号处理电路与算法的有效性测试领域。

Description

一种圆光栅编码器信号生成算法
一、技术领域
本发明涉及信号源发生技术领域，特别是圆光栅编码器的信号生成。
二、背景技术
圆光栅编码器具有高精度、高分辨力和较强的抗干扰能力。以圆光栅编码器作为角位移检测元件的自动检测技术在自动控制、数控机床、仪器仪表等领域中得到了普遍应用。
基于圆光栅编码器的角位移测量系统一般由圆光栅编码器、高精度细分模块、辨向模块、计数模块和显示模块组成。其中，高精度细分模块、辨向模块和计数模块是重要的圆光栅编码器信号处理模块。一般情况下，不同结构的圆光栅编码器输出信号的特点不同，测量对象的不同圆周运动对于信号处理模块的要求也不同，且基于测量对象的不同运动模型进行测试，对分析信号的时域特性、频谱等具有十分重要的价值，也能够为考虑其它非理想因素提供依据。因此，立足于圆光栅编码器的结构参数和测量对象运动模型，研究圆光栅编码器信号生成算法对于圆光栅编码器信号处理电路与算法的研究及有效性测试具有重要意义。
目前的圆光栅编码器信号生成器大多直接生成两路正交的正弦信号或方波信号，其中信号的频率、相位差、直流偏移等参数可设定。直接设定信号的参数导致输出的信号没有与圆光栅编码器的结构参数建立直接的关系，不符合工程应用实际；信号的频率固定则导致只能输出测量对象为匀速圆周运动状态下的信号，而不能改变测量对象的运动模型，在工程实际中，测量对象的运动还可能是匀角加速运动、振动或其它函数模型。比如“匀加速上升、匀速转动、匀加速减速到0”，该运动模型在离心机、转台等旋转设备的动态测试中具有重要意义。因此目前的圆光栅编码器信号生成器难以对于圆光栅编码器信号处理电路与算法的有效性进行充分全面的测试。
三、发明内容
为了结合工程实际，对圆光栅编码器信号处理电路与算法的有效性进行测试，对本发明提供了一种圆光栅编码器信号生成算法。
依据设置的圆光栅编码器结构参数、输出信号参数及测量对象的运动模型参数，设计生成圆光栅编码器的输出信号。
本发明采取以下的技术方案：一种圆光栅编码器信号生成算法，其包括以下步骤：
(1)设置圆光栅编码器测量系统的参数；
(2)设置圆光栅编码器测量对象的运动模型参数；
(3)计算t时刻圆光栅编码器读数头的输出信号；
(4)基于步骤(3)计算各时刻系统输出信号，生成随时间变化的圆光栅输出信号。
所述步骤(1)中，设置圆光栅测量系统参数如下：
(1.1)圆光栅参数
设置圆光栅的栅距角a、安装在同一个读数头内两个指示光栅的夹角γ＝(α/4)+dα，其中d为整数，该读数头输出两路正交的正弦信号用于辨向，两路信号分别由指示光栅1和指示光栅2测量转换得到。
(1.2)输出信号参数
设置输出信号参数为幅值B、直流偏置UDC和采样速率Fs。
所述步骤(2)中，设置测量对象的运动模型为θ(t)，其中θ(t)为测量对象旋转角度值随时间变化的任意函数。
所述步骤(3)中，t时刻圆光栅编码器读数头的输出信号计算方法如下：
设t时刻第1个指示光栅相对于标尺光栅旋转的角度为θ；第2个指示光栅相对于标尺光栅旋转的角度为θ+γ，并将输出信号幅值归一化，则第1个指示光栅输出信号的幅值为：
Figure BDA0002792968630000021
第2个指示光栅输出信号的幅值为：
Figure BDA0002792968630000022
所述步骤(4)中，生成随时间变化的圆光栅输出信号的方法为：
根据步骤(1.2)中设置的输出信号幅值B、直流偏置UDC，可计算得到第1个指示光栅生成的随时间变化的连续信号为：
Figure BDA0002792968630000023
第2个指示光栅生成的随时间变化的连续信号为：
Figure BDA0002792968630000024
此外，也可从匀速圆周运动、初始角速度为0的匀角加速运动和正弦振动运动共3种基本运动模型中选择一种，并设定角速度或角加速度或振幅及频率参数。设θ为被测轴的旋转角度值，则基于匀速圆周运动模型，有θ(t)＝Ct，其中C为角速度；基于初始角速度为0的匀角加速运动模型，有θ(t)＝at2/2，其中a为角加速度；基于正弦振动运动模型，有θ(t)＝A sin(ft)，其中A为振幅，f为正弦振动的角频率。
由于计算机系统的输出为离散信号，根据步骤(1.2)中设置的采样速率Fs，将t＝n/Fs代入y1与y2的表达式，即可得两个指示光栅对应的离散信号。
特别地，对于3种基本运动模型，y1与y2的表达式如下：
匀速圆周运动模型：
Figure BDA0002792968630000031
Figure BDA0002792968630000032
初始角速度为0的匀角加速运动模型：
Figure BDA0002792968630000033
Figure BDA0002792968630000034
正弦振动运动模型：
Figure BDA0002792968630000035
Figure BDA0002792968630000036
四、附图说明
图1是圆光栅结构参数示意图；
图2是基于本发明生成的一种圆光栅编码器信号曲线图。
五、具体实施方式
下面结合发明内容和附图详细说明本发明的具体实施方式。
图1是圆光栅测量系统及结构参数示意图。图中表示了圆光栅测量系统的基本测量结构，也说明了圆光栅参数栅距角、两个指示光栅的夹角在测量系统中的含义。
图2是设置以下参数为例，生成的0～1s圆光栅编码器输出信号曲线图：
参数栅距角a＝0.01，单位：度；
两个指示光栅的夹角γ＝(a/4)+360×a，单位：度；
输出信号幅值B＝3，单位：V；
直流偏置UDC＝2，单位：V；
采样速率Fs＝1000，单位：Hz；
运动模型选择：正弦振动运动模型；
正弦振动振幅A＝0.1，单位：度；
正弦振动角频率f＝π，单位：rad/s。
依据设置的参数，可计算第1个指示光栅生成的离散信号为：
Figure BDA0002792968630000041
第2个指示光栅生成的离散信号为：
Figure BDA0002792968630000042
基于以上设置的参数及计算，可得圆光栅编码器信号曲线图，其图例中的“signal1”为第1个指示光栅生成的信号，“signal2”为第2个指示光栅生成的信号。
生成例如图2所示的圆光栅编码器信号，具体包括以下步骤：
(1)设置圆光栅编码器测量系统的参数；
(2)设置圆光栅编码器测量对象的运动模型参数；
(3)计算t时刻圆光栅编码器读数头的输出信号；
(4)基于步骤(3)计算各时刻系统输出信号，生成随时间变化的圆光栅输出信号。
所述步骤(1)中，设置圆光栅测量系统参数如下：
(1.1)圆光栅参数
设置圆光栅的栅距角α、安装在同一个读数头内两个指示光栅的夹角γ＝(α/4)+dα，其中d为整数。在如图2所示的输出信号中，栅距角a＝0.01，单位为“度”，两个指示光栅的夹角γ＝(a/4)+360×a，单位为“度”；
(1.2)输出信号参数
设置输出信号参数为幅值B、直流偏置UDC和采样速率Fs。在如图2所示的输出信号中，信号幅值B＝3，单位为“V”；直流偏置UDC＝2，单位为“V”；采样速率Fs＝1000，单位为“Hz”；
所述步骤(2)中，设置测量对象的运动模型为θ(t)，其中θ(t)为测量对象旋转角度值随时间变化的任意函数。
所述步骤(3)中，t时刻圆光栅编码器读数头的输出信号计算方法如下：
设t时刻第1个指示光栅相对于标尺光栅旋转的角度为θ；第2个指示光栅相对于标尺光栅旋转的角度为θ+γ，并将输出信号幅值归一化，则第1个指示光栅输出信号的幅值为：
Figure BDA0002792968630000051
第2个指示光栅输出信号的幅值为：
Figure BDA0002792968630000052
所述步骤(4)中，生成随时间变化的圆光栅输出信号的方法为：
根据步骤(1.2)中设置的输出信号幅值B、直流偏置UDC，可计算得到第1个指示光栅生成的随时间变化的连续信号为：
Figure BDA0002792968630000053
第2个指示光栅生成的随时间变化的连续信号为：
Figure BDA0002792968630000054
此外，也可从匀速圆周运动、初始角速度为0的匀角加速运动和正弦振动运动共3种基本运动模型中选择一种，并设定角速度或角加速度或振幅及频率参数。设θ为被测轴的旋转角度值，则基于匀速圆周运动模型，有θ(t)＝Ct，其中C为角速度；基于初始角速度为0的匀角加速运动模型，有θ(t)＝at2/2，其中a为角加速度；基于正弦振动运动模型，有θ(t)＝A sin(ft)，其中A为振幅，f为正弦振动的角频率。
由于计算机系统的输出为离散信号，根步骤(1.2)中设置的采样速率Fs，将t＝n/Fs代入y1与y2的表达式，即可得两个指示光栅对应的离散信号。
特别地，对于3种基本运动模型，y1与y2的表达式如下：
匀速圆周运动模型：
Figure BDA0002792968630000055
Figure BDA0002792968630000056
初始角速度为0的匀角加速运动模型：
Figure BDA0002792968630000061
Figure BDA0002792968630000062
正弦振动运动模型：
Figure BDA0002792968630000063
Figure BDA0002792968630000064
在如图2所示生成信号中，选择正弦振动运动模型，正弦振动振幅A＝0.1，单位为“度”；正弦振动角频率f＝π，单位为“rad/s”。对于t＝0时，指示光栅和标尺光栅的初始相对位置规定如下：
指示光栅1的暗条纹与标尺光栅的暗条纹重合，其亮条纹与标尺光栅的亮条纹重合，即透光率达到最大；
指示光栅1位于零刻线处。
将设置振幅和频率参数后的正弦振动模型代入计算，第1个指示光栅生成的离散信号为：
Figure BDA0002792968630000065
第2个指示光栅生成的离散信号为：
Figure BDA0002792968630000066
需要指出的是，以上所描述的具体实施案例，仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

Claims (5)

1.一种圆光栅编码器信号生成算法，其包括以下步骤：
(1)设置圆光栅编码器测量系统的参数；
(2)设置圆光栅编码器测量对象的运动模型参数；
(3)计算t时刻圆光栅编码器读数头的输出信号；
(4)基于步骤(3)计算各时刻系统输出信号，生成随时间变化的圆光栅输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种圆光栅编码器信号生成算法，其特征在于，所述步骤(1)中，设置圆光栅测量系统参数如下：
(2.1)圆光栅参数
设置圆光栅的栅距角α、安装在同一个读数头内两个指示光栅的夹角γ＝(α/4)+dα，其中d为整数，该读数头输出两路正交的正弦信号用于辨向，两路信号分别由指示光栅1和指示光栅2测量转换得到。
(2.2)输出信号参数
设置输出信号参数为幅值B、直流偏置UDC和采样速率Fs。
3.根据权利要求1所述的一种圆光栅编码器信号生成算法，其特征在于，所述步骤(2)中，设置测量对象的运动模型为θ(t)，其中θ(t)为测量对象旋转角度值随时间变化的任意函数。
4.根据权利要求1所述的一种圆光栅编码器信号生成算法，其特征在于，所述步骤(3)中，t时刻圆光栅编码器读数头的输出信号计算方法如下：
设t时刻第1个指示光栅相对于标尺光栅旋转的角度为θ；第2个指示光栅相对于标尺光栅旋转的角度为θ+γ，并将输出信号幅值归一化，则第1个指示光栅输出信号的幅值为：
Figure FDA0002792968620000011
第2个指示光栅输出信号的幅值为：
Figure FDA0002792968620000012
5.根据权利要求1所述的一种圆光栅编码器信号生成算法，其特征在于，所述步骤(4)中，生成随时间变化的圆光栅输出信号的方法为：
根据权利要求(2.2)中设置的输出信号幅值B、直流偏置UDC，可计算得到第1个指示光栅生成的随时间变化的连续信号为：
Figure FDA0002792968620000013
第2个指示光栅生成的随时间变化的连续信号为：
Figure FDA0002792968620000021
此外，也可从匀速圆周运动、初始角速度为0的匀角加速运动和正弦振动运动共3种基本运动模型中选择一种，并设定角速度或角加速度或振幅及频率参数。设θ为被测轴的旋转角度值，则基于匀速圆周运动模型，有θ(t)＝Ct，其中C为角速度；基于初始角速度为0的匀角加速运动模型，有θ(t)＝at2/2，其中a为角加速度；基于正弦振动运动模型，有θ(t)＝Asin(ft)，其中A为振幅，f为正弦振动的角频率。
由于计算机系统的输出为离散信号，根据权利要求(2.2)中设置的采样速率Fs，将t＝n/Fs代入y1与y2的表达式，即可得两个指示光栅对应的离散信号。
特别地，对于3种基本运动模型，y1与y2的表达式如下：
匀速圆周运动模型：
Figure FDA0002792968620000022
Figure FDA0002792968620000023
初始角速度为0的匀角加速运动模型：
Figure FDA0002792968620000024
Figure FDA0002792968620000025
正弦振动运动模型：
Figure FDA0002792968620000026
Figure FDA0002792968620000027
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