CN113037164A - 一种编码器数据处理方法 - Google Patents

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陈阳
王瑞
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Abstract

本发明公开了一种编码器数据处理方法，包括：构建微分跟踪器；获取编码器反馈位置数据并输入信号u；基于所述微分跟踪器生成滤波后的反馈位置数据以及转速数据；将所述微分跟踪器的输出转速数据作为速度环的反馈，在不同的速度环增益下进行电机速度环性能调试，进而获取不同速度环增益下速度因子r和滤波因子h的最优参数；建立速度因子r、滤波因子h与速度环增益的映射表；在电机正常运行时，根据速度环增益获取速度因子r和滤波因子h参数，在速度环中进行微分跟踪器周期迭代计算。本发明能减小转速数据的波动、可提高伺服系统的速度环刚性、能抑制编码器自身的量化噪声、无需参数调试。

Description

一种编码器数据处理方法
技术领域
本发明涉及电机控制系统，尤其涉及一种编码器数据处理方法。
背景技术
伺服电机一般采用矢量控制的方式来驱动，通过转矩-转速-位置三环闭环控制。需要在电机转子上安装编码器，采集转子的电气角度、转速和位置。电气角度用于实施矢量控制，转速数据作为速度闭环的反馈，位置数据作为位置闭环的反馈。其中，速度环性能的好坏对整个伺服系统的性能有决定性的影响。
目前，伺服电机编码器大部分采用的都是数字接口，反馈的是离散的周期性位置数据，现有技术中，往往是对编码器的原始数据进行有限差分，这种方法有以下问题：
1、原始数据中往往包含了高频噪声，有限差分的方式会导致解析出来的转速曲线有严重的毛刺，影响速度环控制效果。
2、编码器的分辨率和有限差分的周期时间决定了解析出来转速的分辨率，例如对于单圈17位的编码器，在125us的差分周期下，转速的分辨率为60/(0.000125*217)＝3.66RPM。分辨率不够高会导致速度环计算得到的转矩指令包含高频噪声，引发电机异响，影响控制效果。
此外，编码器内部一般采用光学、磁场、容性或者感性原理来识别位置，都要通过模数转换来将位置信号转化为数字量。目前一般都是直接不加处理，将反馈位置数据用于位置环计算。模数转换的量化噪声会对位置数据的稳定性造成一定影响。例如，在电机转子完全静止时，反馈位置数据还是会存在一个小范围的随机波动，电机位置锁定时，这个波动会导致位置环偏差一直存在，电机不断地进行闭环调整，最终转子在锁定位置附近不断小范围波动。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种能减小转速数据的波动、可提高伺服系统的速度环刚性、能抑制编码器自身的量化噪声、无需参数调试的编码器数据处理方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种编码器数据处理方法，其包括有如下步骤：步骤S1，构建微分跟踪器；步骤S2，获取编码器反馈位置数据并输入信号u；步骤S3，基于所述微分跟踪器生成滤波后的反馈位置数据以及转速数据；步骤S4，将所述微分跟踪器的输出转速数据作为速度环的反馈，在不同的速度环增益下进行电机速度环性能调试，进而获取不同速度环增益下速度因子r和滤波因子h的最优参数；步骤S5，建立速度因子r、滤波因子h与速度环增益的映射表；步骤S6，在电机正常运行时，根据速度环增益获取速度因子r和滤波因子h参数，在速度环中进行微分跟踪器周期迭代计算，将所述微分跟踪器输出的转速数据作为速度反馈使用，将所述微分跟踪器的输出的位置数据作为位置反馈使用。
优选地，所述速度因子r＝4*BW2。
优选地，所述滤波因子h取跟踪步长T的倍数，即h＝n*T，其中n为正整数。
本发明公开的编码器数据处理方法，其相比现有技术而言的有益效果在于：相比传统有限差分的计算方法而言，本发明得到的转速数据波动更小，由此提高了伺服系统的速度环刚性。其次，本发明编码器数据处理方法，对编码器自身的量化噪声有抑制作用，反馈位置数据更平稳。此外，本发明的编码器数据处理方法，根据速度环的增益自动配置速度因子和滤波因子，无需参数调试，使用过程简单方便，较好地满足了应用需求。
附图说明
图1为伺服驱动器的原理框图；
图2为电机正常运行过程中微分跟踪器周期性执行的流程图；
图3为编码反馈原始数据通过本发明中微分跟踪器处理获得的转速曲线图；
图4为编码反馈原始数据通过传统有限差分方式获得的转速曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种编码器数据处理方法，结合图1至图3所示，其包括有如下步骤：
步骤S1，构建微分跟踪器；
步骤S2，获取编码器反馈位置数据并输入信号u；
步骤S3，基于所述微分跟踪器生成滤波后的反馈位置数据以及转速数据；
步骤S4，将所述微分跟踪器的输出转速数据作为速度环的反馈，在不同的速度环增益下进行电机速度环性能调试，进而获取不同速度环增益下速度因子r和滤波因子h的最优参数；
步骤S5，建立速度因子r、滤波因子h与速度环增益的映射表；
步骤S6，在电机正常运行时，根据速度环增益获取速度因子r和滤波因子h参数，在速度环中进行微分跟踪器周期迭代计算，将所述微分跟踪器输出的转速数据作为速度反馈使用，将所述微分跟踪器的输出的位置数据作为位置反馈使用。
作为一种优选方式，所述微分跟踪器的快速控制最优综合函数fst公式为：
δ＝rh；
δ0＝δh；
y＝x1-u+hx2；
Figure BDA0002970244160000041
Figure BDA0002970244160000042
Figure BDA0002970244160000043
其中：
u为输入信号；
x1为信号u的跟踪输出；
x2为信号u的微分输出；
sgn(y)为符号函数。
上述公式中，r为速度因子，该参数越大，x1能更快的跟踪信号u，但是噪声也会变大；进一步地，所述速度因子r＝4*BW2，其中，BW为速度环带宽。
h为滤波因子，该参数越大，滤波效果越好，但是会带来相位损失。所述滤波因子h取跟踪步长T的倍数，即h＝n*T，其中n为正整数。
实际应用中，存在最优的参数r和h，使输出可以快速的跟随输入信号，并有效抑制转速数据中的噪声。针对具体的编码器以及设定的速度环增益，通过离线调试的方式确定不同速度环增益下的最优速度因子r及滤波因子h，建立速度环增益和r、h的映射表。
本实施例中，迭代计算公式为：
Figure BDA0002970244160000051
其中：
T为跟踪步长；
u(k)为k时刻的输入信号；
x1(k)为k时刻位置数据；
x2(k)为k时刻转速数据；
x1(k+1)为k+1时刻位置数据；
x2(k+1)为k+1时刻转速数据。
实际应用中，微分跟踪器的周期迭代计算放在速度环中进行，系统初始化时，给x1(k)、x2(k)赋初始值为0，在此基础上不停的进行周期性的迭代计算，获得编码器位置跟踪数据和滤波后的位置微分数据，位置微分数据结合确定的速度环周期和编码器分辨率参数，可以得到电机转速。
本发明公开的编码器数据处理方法，其相比现有技术而言的有益效果在于，结合对比图3和图4，相比传统有限差分的计算方法而言，本发明得到的转速数据波动更小，由此提高了伺服系统的速度环刚性。其次，本发明编码器数据处理方法，对编码器自身的量化噪声有抑制作用，反馈位置数据更平稳。此外，本发明的编码器数据处理方法，根据速度环的增益自动配置速度因子和滤波因子，无需参数调试，使用过程简单方便，较好地满足了应用需求。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种编码器数据处理方法，其特征在于，包括有如下步骤：
步骤S1，构建微分跟踪器；
步骤S2，获取编码器反馈位置数据并输入信号u；
步骤S3，基于所述微分跟踪器生成滤波后的反馈位置数据以及转速数据；
步骤S4，将所述微分跟踪器的输出转速数据作为速度环的反馈，在不同的速度环增益下进行电机速度环性能调试，进而获取不同速度环增益下速度因子r和滤波因子h的最优参数；
步骤S5，建立速度因子r、滤波因子h与速度环增益的映射表；
步骤S6，在电机正常运行时，根据速度环增益获取速度因子r和滤波因子h参数，在速度环中进行微分跟踪器周期迭代计算，将所述微分跟踪器输出的转速数据作为速度反馈使用，将所述微分跟踪器的输出的位置数据作为位置反馈使用。
2.如权利要求1所述的编码器数据处理方法，其特征在于，所述微分跟踪器的快速控制最优综合函数fst公式为：
δ＝rh；
δ0＝δh；
y＝x1-u+hx2；
Figure FDA0002970244150000011
Figure FDA0002970244150000012
Figure FDA0002970244150000013
其中：
u为输入信号；
x1为信号u的跟踪输出；
x2为信号u的微分输出；
sgn(y)为符号函数。
3.如权利要求2所述的编码器数据处理方法，其特征在于，迭代计算公式为：
Figure FDA0002970244150000021
其中：
T为跟踪步长；
u(k)为k时刻的输入信号；
x1(k)为k时刻位置数据；
x2(k)为k时刻转速数据；
x1(k+1)为k+1时刻位置数据；
x2(k+1)为k+1时刻转速数据。
4.如权利要求3所述的编码器数据处理方法，其特征在于，所述速度因子r＝4*BW2，其中，BW为速度环带宽。
5.如权利要求3所述的编码器数据处理方法，其特征在于，所述滤波因子h取跟踪步长T的倍数，即h＝n*T，其中n为正整数。
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