CN112556734A - 光电编码器莫尔条纹细分方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光电编码器莫尔条纹细分方法，采集最近一个莫尔条纹信号周期的信号，根据信号的中心点坐标，可以得到SIN信号和COS信号的直流电平值；根据莫尔条纹4个顶点的坐标，可以得到SIN信号和COS信号的幅度值。当编码器在进行细分时，根据SIN和COS信号的幅度值和直流电平值，即可对实际采集到的信号进行补偿，以提高编码器的精度。当外界环境产生变化时，或者编码器的码盘局部有污渍时，编码器输出的莫尔条纹信号是不稳定的信号，其信号的直流电平和幅度值会发生改变。本系统在工作时，会实时的计算信号的直流电平和信号幅度值，以便对莫尔条纹信号进行补偿，提高编码器的细分精度。

Description

光电编码器莫尔条纹细分方法
技术领域
本发明涉及光电编码器技术领域，具体涉及一种光电编码器莫尔条纹细分方法。
背景技术
光电轴角编码器，又称光电角位置传感器，是一种集光、机、电为一体的精密数字测角装置。绝对式光电轴角编码器的圆形码盘上沿径向有若干条同心码道，每条码道上由透光和不透光的扇形区间组成。在码盘的一侧是发光元件，另一侧对应每一码道有一光敏元件，每一个发光元件和光敏元件配对称为一个读数头。当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否以及光照的强弱输出不同的电流信号，该电流信号与电阻进行串联，电阻将电流信号转换为电压信号，该电压信号称为编码器的原始输入信号。
光电编码器的细分精度直接决定了编码器的精度，编码器出厂时，通过调整电位计使编码器输出的两路正交的SIN和COS信号的幅度一致，且两路信号都是以0V为中心点的，此时计算得到的编码器细分角度值其误差最小。当编码器使用一段时间后，其发光元件或者光敏元件会老化，其性能参数会发生变化，这样会导致放大后的信号SIN和COS的幅度值不一致，或者其信号不是以0V为中心，当编码器的码盘落入水滴或者灰尘时，编码器转动时读数头输出放大后的信号SIN和COS与标准的正弦波信号也将存在较大的误差，因而计算得到的编码器细分角度值并不是真实的细分角度值，这样将会导致编码器细分误差变大，或者导致编码器错码而无法使用。
发明内容
本发明为了解决SIN和COS信号的幅度误差和直流电平误差造成的细分误差，提高编码器的细分精度，本发明实施例提供了一种光电轴角编码器莫尔条纹细分系统。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
一种光电编码器莫尔条纹细分方法，其特征在于，包括：
S1：实时采集并计算出当前周期内莫尔条纹的SIN信号和COS信号形成的Lissajous图形中斜率为0和±1时所对应的8个细分点的坐标(X1，Y1)～(X8，Y8)；
S2：根据8个细分点的坐标计算出Lissajous图形的中心点O的坐标(X0，Y0)，从而得到当前周期莫尔条纹SIN信号和COS信号的幅度补偿值和直流电平值补偿值；中心点O(X0，Y0)的X0，Y0对应的计算公式为：
Figure BDA0002806662260000021
S3：根据中心点O的坐标值(X0，Y0)将Lissajous图形分为四个象限，根据当前时刻莫尔信号采样点的坐标值C(Xn，Yn)所在的象限区间所对应的细分公式：
Figure BDA0002806662260000022
其中，SIN为当前周期内SIN信号的幅度值；
COS为当前周期内COS信号的幅度值，
计算出当前时刻莫尔信号所对应的细分值θ，然后将细分值θ转换为角度数据并输出。
优选地，X0为当前周期内SIN信号的直流电平补偿值；Y0为当前周期内COS信号的直流电平补偿值；X0为两路莫尔条纹信号SIN信号的幅度补偿值；Y0分别为两路莫尔条纹信号COS信号的幅度补偿值。
优选地，采集的莫尔条纹信号周期内当前时刻的采样点A(Xm，Ym)及上一时刻的采样点B(Xm-1，Ym-1)满足的关系式及对应的细分点坐标计算公式为：
第1点坐标值(X1，Y1)：
当满足
Figure BDA0002806662260000023
且Xm>0时，此时锁定Lissajous图形上第1点的坐标(X1，Y1)为：
Figure BDA0002806662260000031
第2点坐标值(X2，Y2)：
当满足
Figure BDA0002806662260000032
且Xm>0时，此时锁定Lissajous图形上第2点的坐标(X2，Y2)为：
Figure BDA0002806662260000033
第3点坐标值(X3，Y3)：
当满足
Figure BDA0002806662260000034
且Ym>0时，此时锁定Lissajous图形上第3点的坐标(X3，Y3)为：
Figure BDA0002806662260000035
第4点坐标值(X4，Y4)：
当满足
Figure BDA0002806662260000036
且Xm<0时，此时锁定Lissajous图形上第4点的坐标(X4，Y4)为：
Figure BDA0002806662260000037
第5点坐标值(X5，Y5)：
当满足
Figure BDA0002806662260000038
且Xm<0时，此时锁定Lissajous图形上第5点的坐标(X5，Y5)为：
Figure BDA0002806662260000039
第6点坐标值(X6，Y6)：
当满足
Figure BDA0002806662260000041
且Xm<0时，此时锁定Lissajous图形上第6点的坐标(X6,Y6)为：
Figure BDA0002806662260000042
第7点坐标值(X7，Y7)：
当满足
Figure BDA0002806662260000043
且Ym<0时，此时锁定Lissajous图形上第7点的坐标(X7，Y7)为：
Figure BDA0002806662260000044
第8点坐标值(X8，Y8)：
当满足
Figure BDA0002806662260000045
且Xm>0时，此时锁定Lissajous图形上第8点的坐标(X8，Y8)为：
Figure BDA0002806662260000046
优选地，当莫尔条纹信号的当前采样点C坐标值(Xn，Yn)满足Xn>X0且Yn≥Y0时，即采样点位于第一象限时，此时细分公式为：
Figure BDA0002806662260000047
当莫尔条纹信号的当前采样点C坐标值(Xn，Yn)满足Xn≤X0且Yn≥Y0时，即采样点位于第二象限时，此时细分公式为：
Figure BDA0002806662260000048
当莫尔条纹信号的当前采样点C坐标值(Xn，Yn)满足Xn≤X0且Yn≤Y0时，即采样点位于第三象限时，此时细分公式为：
Figure BDA0002806662260000049
当莫尔条纹信号的当前采样点C坐标值(Xn，Yn)满足Xn≥X0且Yn<Y0时，即采样点位于第四象限时，此时细分公式为：
Figure BDA0002806662260000051
优选地，设置一定的阈值δ，当Lissajous图形的斜率为(0±δ)、(1±δ)或(-1±δ)范围时，即使用公式(3)至公式(10)中的一个对应公式计算所对应的顶点坐标值。
优选地，一种角位移测量装置使用权利要求1-5中的光电编码器莫尔条纹细分方法。
优选地，一种线位移测量装置使用权利要求1-5中的光电编码器莫尔条纹细分方法。
本发明能够取得以下技术效果：
1、当编码器由于元器件老化，或者由于外界因素导致码盘受到局部污染，其输出的莫尔条纹信号偏离标准值时，采用本方法依然可以使编码器输出正确的角度值，提高编码器的细分精度。
2、采用本方法对莫尔条纹信号细分时，并不需要事先知道编码器的运行速度，可以根据每一不同位置的莫尔条纹信号进行实时的补偿，但是采用传统的角度计算方法可能会导致编码器在局部位置输出错误的角度值，使编码器精度降低甚至产生错码。
附图说明
图1是本发明一个实施例的一种光电编码器莫尔条纹细分方法的流程图；
图2是标准的Lissajous图；
图3是本发明一个实施例的某莫尔条纹信号所形成的Lissajous图形；
图4是本发明一个实施例的编码器数据处理流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
下面将对本发明提供的一种光电编码器莫尔条纹细分方法，通过具体实施例来进行详细说明。
光电编码器的信号分为粗码信号和精码信号，粗码信号确定编码器的角度区间，精码信号决定编码器的精度。光电编码器的一组精码读数头原始信号一般分为四路，计为C0，C90，C180，C270，是四路相位差为90°的近似正弦波信号。其中C0和C180相位差为180°，C0和C180信号进入差分放大器放大整形后得到的正弦波信号记为SIN信号；C90和C270相位差为180°，C90和C270信号进入差分放大器放大整形后得到正弦波信号记为COS信号，SIN信号和COS信号相位差为90°。根据SIN信号和COS信号的幅值，通过公式：
Figure BDA0002806662260000061
即可得到编码器一个精码周期的细分角度值θ。
为了提高编码器的精度，实际的编码器精码可能有多组读数头，平均分布在编码器的精码码道上，计算细分角度时，取所有精码读数头细分数值的平均值作为编码器精码细分后的最终值。
Lissajous图形是两个沿着互相垂直方向的正弦振动的合成的轨迹，在位移传感器实际信号分析时，常采用Lissajous图形来分析位移传感器的误差。以编码器输出两路莫尔条纹信号的SIN信号作为横坐标，COS信号作为纵坐标，理想情况下，SIN和COS信号形成的Lissajous图形为标准的圆形，如图2所示，当编码器的转速不同时，编码器输出莫尔条纹信号的波形形状是不一样的，但是所形成的Lissajous图形是一样的。
图1为本发明的一种光电编码器莫尔条纹细分方法的流程图，参见图1：编码器在进行细分误差计算时，首先利用高速AD转换器采集最近一个莫尔条纹信号周期的两路SIN信号(对应坐标系的X轴)和COS信号(对应坐标系的Y轴)，假设当前时刻的采样点坐标为A(Xm，Ym)，上一时刻的采样点坐标为B(Xm-1，Ym-1)，判断这两个采样点的坐标是否满足Lissajous图形上第i个细分点对应的坐标条件，若满足则通过对应第i个细分点的坐标计算公式，锁定Lissajous图形上第i个细分点的坐标(Xi，Yi)，(i＝1，2，3…8)；同理继续寻找同一个莫尔条纹信号周期内下一个采样点满足对应在Lissajous图形上的第n个细分点的坐标的条件，直至获得全部所需的8个细分坐标点1(X1，Y1)、2(X2，Y2)、3(X3，Y3)、4(X4，Y4)、5(X5，Y5)、6(X6，Y6)、7(X7，Y7)、8(X8，Y8)；
若当前时刻的采样点坐标为A(Xm，Ym)，上一时刻的采样点坐标为B(Xm-1，Ym-1)不满足公式(3)至公式(10)对应的任意一个坐标条件，则重新获取采样点，直至满足条件，存在8个细分点与公式(3)至公式(10)的条件一一对应的，即完成了细分点的采集。编码器旋转的一个莫尔条纹信号周期内，必然存在满足条件的8个细分点。
根据坐标点1(X1，Y1)、2(X2，Y2)、3(X3，Y3)、4(X4，Y4)、5(X5，Y5)、6(X6，Y6)、7(X7，Y7)、8(X8，Y8)利用公式(1)即：
Figure BDA0002806662260000071
计算出所对应的Lissajous图形的中心点O(X0，Y0)；
在本发明的一个优选实施例中，X0为当前周期内SIN信号的直流电平补偿值；Y0为当前周期内COS信号的直流电平补偿值；X0为当前周期莫尔条纹SIN信号的幅度补偿值；Y0为当前周期内COS信号的幅度补偿值.
至此，完成了对当前采样周期8个细分点的采集，精确的测量出校正光电轴角编码器莫尔条纹信号SIN和COS信号的幅度补偿值以及直流电平值的补偿值。
在本发明的另一个实施例中，编码器首次上电时需要先采集8个细分点的数据再进行角度输出，采集方法同上，且每一次对新的周期的莫尔条纹信号的补偿是基于最近一次采集到的莫尔条纹信号的SIN信号、COS信号与直流电平值为基准进行补偿。
在本发明的一个优选实施例中，编码器在旋转时，如图3所示的一个采集到莫尔条纹信号所形成的Lissajous图形，由于构成Lissajous图形的8个细分点坐标值实时更新，因此，Lissajous图形的中心点坐标O(X0，Y0)也会实时的更新，根据中心点O的坐标(X0，Y0)将编码器的Lissajous图形划分为四个象限(与直角坐标系象限位置划分相同)，参见图3，每一个象限所对应的SIN和COS信号的幅度都是不一样的。
因此，判断出当前周期内另一采样点C(Xn，Yn)属于哪一象限，就可根据公式(11)-公式(14)对应的具体细分值计算公式，计算出当前信号所对应的细分值；
在本发明的一个优选实施例中，
当莫尔条纹信号的当前采样点C坐标值(Xn，Yn)满足Xn>X0且Yn≥Y0时，即采样点位于第一象限，此时细分公式为：
Figure BDA0002806662260000081
其中，X1-X0为SIN信号补偿后的幅度值，Y3-Y0为COS信号补偿后的幅度值；
当莫尔条纹信号的当前采样点C坐标值(Xn，Yn)满足Xn≤X0且Yn≥Y0时，即采样点位于第二象限，此时细分公式为：
Figure BDA0002806662260000082
其中，X0-X5为SIN信号补偿后的幅度值，Y3-Y0为COS信号补偿后的幅度值；
当莫尔条纹信号的当前采样点C坐标值(Xn，Yn)满足Xn≤X0且Yn≤Y0时，即采样点位于第三象限，此时细分公式为：
Figure BDA0002806662260000083
其中，X0-X5为SIN信号补偿后的幅度值，Y0-Y7为COS信号补偿后的幅度值；
当莫尔条纹信号的当前采样点C坐标值(Xn，Yn)满足Xn≥X0且Yn<Y0时，即采样点位于第四象限，此时细分公式为：
Figure BDA0002806662260000084
其中，X1-X0为SIN信号补偿后的幅度值，Y0-Y7为COS信号补偿后的幅度值；
最后将细分值转换为角度数据并输出，即完成了对光电编码器的莫尔条纹信号进行的补偿，提高编码器的细分精度。
在本发明的一个优选实施例中，如图4所示的信号流程图：编码器头部输出的四路原始信号C0、C90、C180、C270通过差分放大器后变为SIN、COS信号进入AD转换器，CPU根据AD转换器的数值对信号进行细分，将细分值转换为编码器的角度数据输出。
在本发明的一个优选实施例中，由于编码器在进行AD采集时，会有一个分辨率的AD采集误差，在实际的莫尔条纹信号Lissajous图形上8个细分点的计算过程中，如果当前的AD数值与上一数值变化只有一个AD分辨率的差别时，则不对当前采集的数值进行更新，直至SIN或者COS信号的AD数值变化大于等于二个(或者三个)分辨率时，再对当前的数值进行更新。为了防止由于AD采样的速度不足或者编码器转速过快而错过Lissajous图形顶点数据的采集，在实际顶点数据的计算过程中，会根据需要设置一定的阈值δ，当Lissajous图形的斜率为(0±δ)、(1±δ)或(-1±δ)范围时，即可使用公式(3)-公式(10)中的一个计算所对应的顶点坐标值。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光电编码器莫尔条纹细分方法，其特征在于，包括：
S1：实时采集并计算出当前周期内莫尔条纹的SIN信号和COS信号形成的Lissajous图形中斜率为0和±1时所对应的8个细分点的坐标(X1，Y1)～(X8，Y8)；
S2：根据所述8个细分点的坐标计算出所述Lissajous图形的中心点O的坐标(X0，Y0)，从而得到所述当前周期莫尔条纹SIN信号和COS信号的幅度补偿值和直流电平值补偿值；所述中心点O(X0，Y0)的X0，Y0对应的计算公式为：
Figure FDA0002806662250000011
S3：根据所述中心点O的坐标值(X0，Y0)将所述Lissajous图形分为四个象限，根据当前时刻莫尔信号采样点的坐标值C(Xn，Yn)所在的象限区间所对应的细分公式：
Figure FDA0002806662250000012
其中，SIN为当前周期内SIN信号的幅度值；
COS为当前周期内COS信号的幅度值，
计算出所述当前时刻莫尔信号所对应的细分值θ，然后将所述细分值θ转换为角度数据并输出。
2.根据权利要求1所述的光电编码器莫尔条纹细分方法，其特征在于，X0为所述当前周期内所述SIN信号的直流电平补偿值；Y0为所述当前周期内所述COS信号的直流电平补偿值；X0为所述两路莫尔条纹信号SIN信号的幅度补偿值；Y0分别为所述两路莫尔条纹信号COS信号的幅度补偿值。
3.根据权利要求1所述的光电编码器莫尔条纹细分方法，其特征在于，采集的所述莫尔条纹信号周期内当前时刻的采样点A(Xm，Ym)及上一时刻的采样点B(Xm-1，Ym-1)满足的关系式及对应的细分点坐标计算公式为：
第1点坐标值(X1，Y1)：
当满足
Figure FDA0002806662250000013
且Xm>0时，此时锁定Lissajous图形上第1点的坐标(X1，Y1)为：
Figure FDA0002806662250000021
第2点坐标值(X2，Y2)：
当满足
Figure FDA0002806662250000022
且Xm>0时，此时锁定Lissajous图形上第2点的坐标(X2，Y2)为：
Figure FDA0002806662250000023
第3点坐标值(X3，Y3)：
当满足
Figure FDA0002806662250000024
且Ym>0时，此时锁定Lissajous图形上第3点的坐标(X3，Y3)为：
Figure FDA0002806662250000025
第4点坐标值(X4，Y4)：
当满足
Figure FDA0002806662250000026
且Xm<0时，此时锁定Lissajous图形上第4点的坐标(X4，Y4)为：
Figure FDA0002806662250000027
第5点坐标值(X5，Y5)：
当满足
Figure FDA0002806662250000028
且Xm<0时，此时锁定Lissajous图形上第5点的坐标(X5，Y5)为：
Figure FDA0002806662250000029
第6点坐标值(X6，Y6)：
当满足
Figure FDA00028066622500000210
且Xm<0时，此时锁定Lissajous图形上第6点的坐标(X6,Y6)为：
Figure FDA0002806662250000031
第7点坐标值(X7，Y7)：
当满足
Figure FDA0002806662250000032
且Ym<0时，此时锁定Lissajous图形上第7点的坐标(X7，Y7)为：
Figure FDA0002806662250000033
第8点坐标值(X8，Y8)：
当满足
Figure FDA0002806662250000034
且Xm>0时，此时锁定Lissajous图形上第8点的坐标(X8，Y8)为：
Figure FDA0002806662250000035
4.根据权利要求1所述的光电编码器莫尔条纹细分方法，其特征在于，
当莫尔条纹信号的当前采样点C坐标值(Xn，Yn)满足Xn>X0且Yn≥Y0时，即所述采样点位于第一象限时，此时细分公式为：
Figure FDA0002806662250000036
当莫尔条纹信号的当前采样点C坐标值(Xn，Yn)满足Xn≤X0且Yn≥Y0时，即所述采样点位于第二象限时，此时细分公式为：
Figure FDA0002806662250000037
当莫尔条纹信号的当前采样点C坐标值(Xn，Yn)满足Xn≤X0且Yn≤Y0时，即所述采样点位于第三象限时，此时细分公式为：
Figure FDA0002806662250000038
当莫尔条纹信号的当前采样点C坐标值(Xn，Yn)满足Xn≥X0且Yn<Y0时，即所述采样点位于第四象限时，此时细分公式为：
Figure FDA0002806662250000041
5.根据权利要求1所述的光电编码器莫尔条纹细分方法，其特征在于，
设置一定的阈值δ，当Lissajous图形的斜率为(0±δ)、(1±δ)或(-1±δ)范围时，即使用公式(3)至公式(10)中的一个对应公式计算所对应的顶点坐标值。
6.一种角位移测量装置，其特征在于，使用权利要求1-5中的光电编码器莫尔条纹细分方法。
7.一种线位移测量装置，其特征在于，使用权利要求1-5中的光电编码器莫尔条纹细分方法。
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