CN113551590B - 一种电机旋转角度测量装置、方法、存储介质及电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机旋转角度测量装置，应用于电机旋转角度的测量，包括处理器、第一编码器和第二编码器；第一编码器、第二编码器均设于电机上，并且第一编码器、第二编码器均与电机同轴并跟随所述电机同步转动；所述第一编码器、第二编码器分别与处理器电性连接；所述第一编码器的角度分辨率与第二编码器的角度分辨率不同，并且第一编码器的角度分辨率与第二编码器的角度分辨率具有一定的差值；所述处理器，用于获取电机的转速并判断电机的转速是否大于预设转速，以及根据电机的当前转速与预设转速的对比结果选择对应的编码器的输出信号计算电机的旋转角度。本发明还公开了一种电机旋转角度测量方法、存储介质以及带旋转角度测量的电机。

Description

一种电机旋转角度测量装置、方法、存储介质及电机

技术领域

本发明涉及电机旋转角度测量，尤其涉及一种电子旋转角度测量装置、方法、存储介质及一种带旋转角度测量的电机。

背景技术

三维激光扫描仪是通过控制电机旋转进而向三维空间内的目标物体发射激光以实现测角与测距。在三维激光扫描仪工作时，需要实时并准确记录激光发射的方位，进而记录点云空间位置的角度；同时还可通过设置激光发射的频率以及控制电机旋转速度，来实现对目标物体的扫描速度和点云密度的控制。同时，在某个应用领域内，三维激光扫描仪还需要获取电机旋转角度，以获取电机旋转速度。

目前，对于电机旋转角度的测量，通常采用光电编码器、磁编码器、霍尔传感器等来实现。其中，光电编码器、磁编码器在对电机旋转角度的测量时具有高精度的特点，因此，在高精度测角的场合下，一般采用光电编码器或磁编码器。

但是，对于光电编码器和磁编码器来说，当测量的电机转速较快时，编码器的角度分辨率的精度不能太高，否则会使得编码器的响应速度无法与电机的转速匹配，导致编码器的输出信号丢失；相反，当测量的电机转速较低时，则需要编码器的角度分辨率的精度要高。但是，对于编码器的角度分辨率在设计时已经确定，后续测量时无法更改。因此，当电机的转速变化较大时，编码器则无法同时兼顾电机的高转速和高角度分辨率的角度测试要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种电机旋转测角装置，其能够解决现有技术中电机旋转测角时无法同时兼顾高转速和高角度分辨率的问题。

本发明的目的之二在于提供一种电机旋转测角方法，其能够解决现有技术中电机旋转测角时无法同时兼顾高转速和高角度分辨率的问题。

本发明的目的之三在于提供一种存储介质，其能够解决现有技术中电机旋转测角时无法同时兼顾高转速和高角度分辨率的问题。

本发明的目的之三在于提供一种带旋转角度测量的电机，其能够解决现有技术中电机旋转测角时无法同时兼顾高转速和高角度分辨率的问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种电机旋转角度测量装置，包括处理器、第一编码器和第二编码器；其中，所述第一编码器、第二编码器均设于电机上，并且第一编码器、第二编码器均与电机同轴并跟随所述电机同步转动；所述第一编码器、第二编码器分别与处理器电性连接，用于向处理器发送输出信号；所述第一编码器的角度分辨率与第二编码器的角度分辨率不同，并且第一编码器的角度分辨率与第二编码器的角度分辨率具有一定的差值；所述处理器，用于获取电机的转速并判断电机的转速是否大于预设转速；

所述处理器，还用于当电机的当前转速大于预设转速时，选择第一编码器与第二编码器中角度分辨率低的编码器的输出信号计算电机的旋转角度；以及当电机的当前转速小于预设转速时，选择第一编码器与第二编码器中角度分辨率高的编码器的输出信号计算电机的旋转角度。

进一步地，所述处理器，还用于在电机转动的过程中，根据第一编码器或第二编码器的输出信号计算得出单位时间内对应编码器输出的脉冲数，进而根据单位时间内对应编码器输出的脉冲数计算得出电机的当前转速。

进一步地，所述第一编码器与第二编码器均为磁编码器，或者，第一编码器与第二编码器均为光电编码器，或者，第一编码器与第二编码器中的一个为磁编码器、一个为光电编码器。

进一步地，所述电机的预设转速为5000转/分钟；

第一编码器与第二编码器中的其中一个编码器的编码器线数不低于8000线、角度分辨率不低于162角/秒，另外一个编码器线数不高于5000线、角度分辨率不高于259.2角/秒。本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种电机旋转角度测量方法，应用于如本发明的目的之一采用的电机旋转角度测量装置，所述电机旋转角度测量方法包括以下步骤：

获取步骤：分别获取安装于电机上的第一编码器和第二编码器的输出信号；所述第一编码器与第二编码器均与所述电机同轴并跟随所述电机同步转动；第一编码器与第二编码器的角度分辨率不相同，并且第一编码器的角度分辨率与第二编码器的角度分辨率之间具有一定的差值；

旋转角度测量步骤：获取电机的当前转速并判断所述电机的当前转速是否大于预设转速，若是，则选择第一编码器与第二编码器中角度分辨率低的编码器的输出信号计算得出电机的旋转角度；若否，则选择第一编码器与第二编码器中角度分辨率高的编码器的输出信号计算得出电机的旋转角度。

进一步地，所述获取电机的当前转速还包括：根据第一编码器或第二编码器的输出信号计算得出单位时间内对应编码器输出的脉冲数，并根据单位时间内对应编码器输出的脉冲数得出电机的当前转速。

本发明的目的之三采用如下技术方案实现：

一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，其上存储有电机旋转角度测量程序，所述电机旋转角度测量程序为计算机程序，所述电机旋转角度测量程序被处理器执行时实现如本发明的目的之二采用的一种电机旋转角度测量方法的步骤。

本发明的目的之四采用如下技术方案实现：

一种带旋转角度测量的电机，包括电机主体和如本发明的目的之一采用的所述的电机旋转角度测量装置；第一编码器和第二编码器设置在所述电机主体的转轴上并随所述转轴一体旋转。

进一步地，所述第一编码器、第二编码器均设于电机主体的一端或分设于电机主体的两端。

进一步地，所述电机为直流无刷电机、直流有刷电机和永磁同步电机中的任意一种。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过在电机上安装设置两个编码器并随电机同步转动，均可在电机转动的过程中输出相应的脉冲信号，同时两个编码器的角度分辨率不同；这样，当处理器检测到电机的转速超过一定值时，选择角度分辨率比较低的编码器来实现电机的旋转角度的测量；而当处理器检测到电机的转速低于一定值时，选择角度分辨率比较高的编码器来实现电机的旋转角度的测量。通过设置两个角度分辨率不同的编码器，以解决现有技术中对于电机测角时无法同时兼顾高转速与高角度分辨率的问题，既可以保证编码器的测角精度，也可以在电机转速较高的情况下避免编码器的输出信号的丢失。

附图说明

图1为本发明提供的第一编码器与第二编码器设于电机一端的结构示意图；

图2为本发明提供的第一编码器与第二编码器设于电机两端的结构示意图；

图3为本发明提供的电机旋转测角装置模块图；

图4为本发明提供的电机旋转测角方法流程图。

图中：1、电机；2、第一编码器；3、第二编码器；4、转轴。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例一

本发明提供一种电机旋转角度测量装置，通过在一个电机上设置两个角度分辨率不同的编码器，并且两个编码器均跟随电机同步转动，然后通过处理器根据电机的当前转速选择两个编码器中的其中一个编码器，用于电机的旋转角度的测量，也即当电机的转速大于一定值时，选择角度分辨率比较低的编码器的输出信号用于电机的旋转角度的测量，反之，选择角度分辨率比较高的编码器的输出信号用于电机的旋转角度的测量。本发明可同时满足高转速和高角度分辨率的要求，解决了现有技术中在电机的旋转角度测量的过程中无法同时兼顾电机的高转速和编码器的高精度分辨率的要求。

本发明提供一种优选的实施例，一种电机旋转角度测量装置，如图1-3所示，包括电机1、处理器、第一编码器2和第二编码器3。

其中，第一编码器2、第二编码器3均安装于电机1上，并且第一编码器2、第二编码器3均与电机1同步转动。也即，第一编码器2、第二编码器3与电机1的同轴设计，并跟随电机1的转动同步转动。也即第一编码器2、第二编码器3设于电机1的转轴4上，并在转轴4的带动下与电机1同步转动。

更为优选地，第一编码器2、第二编码器3可同时设于电机1的一端，也可分设于电机1的两端。

由于编码器的角度分辨率与转速之间是相互制约的，因此，本实施例通过设置两个角度分辨率不同的编码器，一个用于电机1高转速下的电机1的旋转角度的测量，一个用于电机1低转速下的电机1的旋转角度的测量。比如：第一编码器2为高转速、低角度分辨率的编码器，第二编码器3为低转速、高角度分辨率的编码器。这样，当电机1的转速大于一定值时，选择第一编码器2用于电机1的旋转角度的测量；而当电机1的转速小于一定值时，选择第二编码器3用于电机1的旋转角度的测量。通过设置两个编码器，以适应匹配不同转速的电机1，以实现电机1的旋转角度的测量，解决了现有技术中电机1旋转角度测量的过程中，无法同时兼顾高转速和高角度分辨率的问题。

更为优选地，本实施例中的第一编码器2与第二编码器3均为增量式编码器。在电机1旋转的过程中，第一编码器2与第二编码器3跟随电机1同步转动。

其中，增量式编码器一般通过输出三种脉冲信号：A相脉冲信号、B相脉冲信号、Z相脉冲信号，用于电机1旋转角度的测量。也即，编码器跟随电机1每旋转一个分辨率的角度时，编码器会输出一个A相脉冲信号和B相脉冲信号，并且A相脉冲信号和B相脉冲信号为相位相差90°的正交脉冲信号；同时，编码器跟随电机1每旋转一周到达零点位置时输出一个Z相脉冲信号。

比如8000线的编码器，每旋转一个角度分辨率的角度时输出一个A相脉冲信号、B相脉冲信号，也即每旋转一周编码器输出的A相脉冲信号、B相脉冲信号均包括8000个脉冲信号。每旋转一周并到达零点位置时编码器会输出一个Z相脉冲信号。

也即，对于一个编码器来说，其输出的脉冲数是固定不变的。因此，在电机1的旋转过程中，通过处理器与第一编码器2或第二编码器3电性连接，以获取第一编码器2或第二编码器3输出的脉冲信号计算得出单位时间内对应编码器输出的脉冲数，进而得出电机1的转速。

为了保证电机1在不同的转速下，电机1的旋转角度的测量的精度，通过处理器根据电机1的转速来选择对应的编码器输出的脉冲信号，以计算电机1的旋转角度。具体地，设定第一编码器2的角度分辨率高于第二编码器3的角度分辨率，也即，第一编码器2为低转速、高角度分辨率的编码器，第二编码器3为高转速、低角度分辨率的编码器时：

当处理器得出的电机1的当前转速大于预设阈值时，处理器选择获取第二编码器3输出的脉冲信号计算电机1的旋转角度。也即，电机1处于高转速的情况下，通过选择高转速、低角度分辨率的编码器输出的脉冲信号来计算电机1的旋转角度，可保证在电机1的高转速的情况下，高转速、低角度分辨率的编码器能够及时响应，避免编码器的脉冲信号丢失，导致电机1的旋转角度测量出现错误。

当处理器得出的电机1的当前转速小于或等于预设阈值时，处理器选择获取第二编码器3的输出信号计算电机1的旋转角度。也即，电机1处于低转速的情况下，通过选择低转速、高角度分辨率的编码器来实现电机1的旋转角度的测量，提高了电机1的旋转角度的测量精度。

本发明通过设置两个高角度分辨率不同的编码器，分别适配不同电机1转速下的电机1的旋转角度的测量，从而解决了现有技术中对于电机1的旋转角度测量时无法同时兼顾高转速和高角度分辨率的要求。

具体地，对于三维激光扫描仪来说，其是根据用户设定的点云间隔参数控制电机1的旋转速度。因此，在每秒发射的激光脉冲数一定的情况下，控制电机1的旋转速度可以控制相邻两个激光脉冲信号间隔的角度。因此，可预先通过在系统中设定两个转速区间。当电机1的转速处于一个转速区间时，处理器使用其中一个编码器实现电机1的旋转角度的测量；当电机1的转速处于另一个转速区间时，处理器使用另外一个编码器实现电机1的旋转角度的测试。

比如：当电机1的转速低于5000转/分钟时，处理器使用8000线的编码器；当电机1的转速高于5000转/分钟时，处理器使用3600线的编码器。也即，本发明通过在电机1上设置两个不同角度分辨率的编码器，分别用于适配不同电机1转速的电机1的旋转角度的测量，既可以在电机1的低转速的情况下，保证单位时间内编码器输出的脉冲数足够，保证角度测量的精度和转速控制；又可以在电机1的高转速的情况下，保证编码器脉冲输出响应及时，不会丢失脉冲导致角度测量错误。

更为优选地，本发明中的处理器包括信号选择模块和信号处理模块。其中，信号选择模块与信号处理模块电性连接。第一编码器2、第二编码器3分别与信号选择模块电性连接。

信号选择模块，用于接收第一编码器2与第二编码器3输出的脉冲信号，并根据对应编码器输出的脉冲信号计算得出单位时间内输出的脉冲数以得出电机1的转速，以及根据电机1的转速选择对应编码器输出的脉冲信号并发送给信号处理模块。

信号处理模块，根据信号选择模块发送的对应编码器输出的脉冲信号计算得出电机1的旋转角度。也即，信号选择模块根据两个编码器输出的脉冲信号得出电机1的当前转速，然后根据电机1的当前转速来选择两个编码器中的一个编码器的脉冲信号，并发送给信号处理模块，以使得信号处理模块根据对应编码器的脉冲信号计算得出电机1的旋转角度。

优选地，本发明中的电机1采用转子在中心的电机1，包括但不限于：直流无刷电机、直流有刷电机、永磁绒布电机等。

优选地，本发明中的第一编码器2和第二编码器3均可采用磁编码器实现，或者，第一编码器2和第二编码器3均可采用光电编码器，或者，第一编码器2和第二编码器3中的一个采用磁编码器、另一个采用光电编码器。本发明尤其适合应用于电机1转速变化较大的应用场景中，在保证电机1旋转角度的精确测量的同时，还可满足电机1的高转速与低转速两种不同状态下的旋转角度的测量要求。

实施例二

基于实施例一提供的一种电机旋转角度测量装置，本发明还提供一种带旋转角度测量的电机，包括电机主体和实施例一提供的一种电机旋转角度测量装置。其中，第一编码器与第二编码器均设于电机主体的转轴上并在电机主体的转动下同步转动。

优选地，第一编码器与第二编码器设于电机主体的一端或分设于电机主体的两端。

实施例三

基于实施例一提供的一种电机旋转角度测量装置，本发明还提供了另外一实施例，一种电机旋转角度测量方法，其应用于实施例一，如图4所示，具体包括以下步骤：

步骤S1、分别获取安装于电机上第一编码器和第二编码器的输出信号；其中，第一编码器与第二编码器的角度分辨率不相同，并且第一编码器的角度分辨率与第二编码器的角度分辨率之间具有一定的差值。

同样地，第一编码器与第二编码器均与电机同轴并跟随电机同步转动。

步骤S2、获取电机的当前转速。

优选地，对于电机的当前转速，本发明通过采用编码器的输出信号计算得出，具体地：根据第一编码器或第二编码器的输出信号计算得出单位时间内对应编码器输出的脉冲数，并根据单位时间内对应编码器输出的脉冲数得出电机的当前转速。

当电机的转动的过程中，编码器同步转动，同时其在单位时间内输出的脉冲数是固定的，可通过对应编码器在单位时间内输出的脉冲数来得出电机的当前转速。因此，处理器可通过其中一个编码器的输出信号来计算得出电机的当前转速。

优选地，电机的转速，也可以通过其他方式获取，比如通过在电机上安装对应的测速传感器等。

步骤S3、判断电机的当前转速是否大于预设转速；若是，则执行步骤S41；若否，则执行步骤S42。

步骤S41、选择第一编码器与第二编码器中角度分辨率低的编码器的输出信号计算得出电机的旋转角度。

步骤S42、选择第一编码器与第二编码器中角度分辨率高的编码器的输出信号计算得出电机的旋转角度。

当第一编码器的角度分辨率大于第二编码器的角度分辨率时：

也即第一编码器为低转速、高角度分辨率编码器，第二编码器为高转速、低角度分辨率的编码：电机的当前转速大于预设阈值时，选择第二编码器的输出信号计算得出电机的旋转角度；电机的当前转速小于预设阈值时，选择第一编码器的输出信号计算得出电机的旋转角度。具体地，若设定电机的预设转速为5000转/分钟，则当电机的转速不高于5000转/分钟时，选择第一编码器的输出信号对电机的旋转角度的测量：其中，第一编码器为高分辨率编码器，其编码器线数不低于8000线、角度分辨率不低于162角/秒。相反，电机的转速高于5000转/分钟时，选择第二编码器的输出信号对电机的旋转角度进行测量：其中，第二编码器为低分辨率编码器，其编码器线数不高于5000线，角度分辨率不高于259.2角/秒。比如：第一编码器为8000线编码器，第二编码器为3600线的编码器。

当第一编码器的角度分辨率小于第二编码器的角度分辨率时：第一编码器为高转速、低角度分辨率编码器，第二编码器为低转速、高角度分辨率的编码：电机的当前转速大于预设阈值时，选择第一编码器的输出信号计算得出电机的旋转角度；电机的当前转速小于预设阈值时，选择第二编码器的输出信号计算得出电机的旋转角度。

实施例四

一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，其上存储有电机旋转角度测量程序，所述电机旋转角度测量程序为计算机程序，所述电机旋转角度测量程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取步骤：分别获取安装于电机上的第一编码器和第二编码器的输出信号；所述第一编码器与第二编码器均与所述电机同轴并跟随所述电机同步转动；第一编码器与第二编码器的角度分辨率不相同，并且第一编码器的角度分辨率与第二编码器的角度分辨率之间具有一定的差值；

旋转角度测量步骤：获取电机的当前转速并判断所述电机的当前转速是否大于预设转速，若是，则选择第一编码器与第二编码器中角度分辨率低的编码器的输出信号计算得出电机的旋转角度；若否，则选择第一编码器与第二编码器中角度分辨率高的编码器的输出信号计算得出电机的旋转角度。

进一步地，所述获取电机的当前转速还包括：根据第一编码器或第二编码器的输出信号计算得出单位时间内对应编码器输出的脉冲数，并根据单位时间内对应编码器输出的脉冲数得出电机的当前转速。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种电机旋转角度测量装置，其特征在于，包括处理器、第一编码器和第二编码器；其中，所述第一编码器、第二编码器均设于电机上，并且第一编码器、第二编码器均与电机同轴并跟随所述电机同步转动；所述第一编码器、第二编码器分别与处理器电性连接，用于向处理器发送输出信号；所述第一编码器的角度分辨率与第二编码器的角度分辨率不同，并且第一编码器的角度分辨率与第二编码器的角度分辨率具有一定的差值；所述处理器，用于获取电机的转速并判断电机的转速是否大于预设转速；

所述处理器，还用于当电机的当前转速大于预设转速时，选择第一编码器与第二编码器中角度分辨率低的编码器的输出信号计算电机的旋转角度；以及当电机的当前转速小于预设转速时，选择第一编码器与第二编码器中角度分辨率高的编码器的输出信号计算电机的旋转角度；所述第一编码器与第二编码器均为磁编码器，或者，第一编码器与第二编码器均为光电编码器，或者，第一编码器与第二编码器中的一个为磁编码器、一个为光电编码器。

2.根据权利要求1所述的电机旋转角度测量装置，其特征在于，所述处理器，还用于在电机转动的过程中，根据第一编码器或第二编码器的输出信号计算得出单位时间内对应编码器输出的脉冲数，进而根据单位时间内对应编码器输出的脉冲数计算得出电机的当前转速。

3.根据权利要求1所述的电机旋转角度测量装置，其特征在于，所述电机的预设转速为5000转/分钟；

第一编码器与第二编码器中的其中一个编码器的编码器线数不低于8000线、角度分辨率不低于162角/秒，另外一个编码器线数不高于5000线、角度分辨率不高于259.2角/秒。

4.一种电机旋转角度测量方法，应用于如权利要求1-3中任意一项所述的电机旋转角度测量装置，其特征在于，所述电机旋转角度测量方法包括以下步骤：

获取步骤：分别获取安装于电机上的第一编码器和第二编码器的输出信号；所述第一编码器与第二编码器均与所述电机同轴并跟随所述电机同步转动；第一编码器与第二编码器的角度分辨率不相同，并且第一编码器的角度分辨率与第二编码器的角度分辨率之间具有一定的差值；

旋转角度测量步骤：获取电机的当前转速并判断所述电机的当前转速是否大于预设转速，若是，则选择第一编码器与第二编码器中角度分辨率低的编码器的输出信号计算得出电机的旋转角度；若否，则选择第一编码器与第二编码器中角度分辨率高的编码器的输出信号计算得出电机的旋转角度；所述第一编码器与第二编码器均为磁编码器，或者，第一编码器与第二编码器均为光电编码器，或者，第一编码器与第二编码器中的一个为磁编码器、一个为光电编码器。

5.根据权利要求4所述的电机旋转角度测量方法，其特征在于，所述获取电机的当前转速还包括：根据第一编码器或第二编码器的输出信号计算得出单位时间内对应编码器输出的脉冲数，并根据单位时间内对应编码器输出的脉冲数得出电机的当前转速。

6.一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，其上存储有电机旋转角度测量程序，所述电机旋转角度测量程序为计算机程序，其特征在于：所述电机旋转角度测量程序被处理器执行时实现如权利要求4-5中任一项所述的一种电机旋转角度测量方法的步骤。

7.一种带旋转角度测量的电机，其特征在于，包括电机主体和权利要求1-3中任意一项所述的电机旋转角度测量装置；第一编码器和第二编码器设置在所述电机主体的转轴上并随所述转轴一体旋转。

8.根据权利要求7所述的带旋转角度测量的电机，其特征在于，所述第一编码器、第二编码器均设于电机主体的一端或分设于电机主体的两端。

9.根据权利要求7所述的带旋转角度测量的电机，其特征在于，所述电机为直流无刷电机、直流有刷电机和永磁同步电机中的任意一种。