CN114034330B - 一种齿轮式编码器的补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及齿轮式编码器技术领域，具体提供一种齿轮式编码器的补偿方法及系统，旨在解决现有的齿轮式编码器存在因齿轮码盘各齿跳动导致测量精度不高的问题。为此目的，本发明的齿轮式编码器的补偿方法包括：使齿轮式编码器中的齿轮码盘按照设定的方式旋转，获取齿轮码盘上每一个轮齿上预设的测量点的转动角度的测量值；根据不同轮齿上设定的测量点转动角度的测量值，确定第一补偿值；根据同一轮齿内设定的测量点转动角度的测量值，确定第二补偿值；根据第一补偿值和第二补偿值，确定对齿轮码盘上的轮齿进行跳动误差补偿处理的补偿值。如此，对各齿的齿形跳动造成的偏差进行了补偿，提高编码器的定位精度。

Description

一种齿轮式编码器的补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及编码器技术领域，具体提供一种齿轮式编码器的补偿方法及系统。

背景技术

齿轮式编码器适用于电机的矢量闭环控制系统，常用于伺服驱动系统、电梯控制系统等，齿轮式编码器的精度直接影响矢量闭环控制系统的精度。

齿轮式编码器的精度通常由机械加工和机械安装精度来决定，在安装时利用定位工装很难保证读数头中心、齿轮码盘、机床主轴安装的同心度，同时，齿轮码盘受到齿轮机械加工的影响，使得齿轮式编码器输出的信号位置与实际位置会产生偏差，这些误差直接影响到伺服控制系统的精度和可靠性。因此，在使用齿轮式编码器时，需要对齿轮式编码器的安装误差和加工误差进行补偿，以使齿轮式编码器的误差控制在预设范围内。

现有的齿轮式编码器通常是通过同轴设置的超高精度编码器对齿轮式编码器进行校正。

但是，现有的齿轮式编码器存在因齿轮码盘各齿跳动导致定位精度不高的问题。

发明内容

本发明旨在至少一定程度地解决上述技术问题，即，至少一定程度地解决现有的齿轮式编码器存在的因齿轮码盘的各个齿跳动导致测量精度不高的问题。

第一方面，本发明提供了一种齿轮式编码器的补偿方法，所述补偿方法包括：使齿轮式编码器中的齿轮码盘按照设定的方式旋转，获取所述齿轮码盘上每一个轮齿上预设的测量点的转动角度的测量值；根据不同所述轮齿上设定的所述测量点转动角度的测量值，确定第一补偿值；根据同一所述轮齿内设定的所述测量点转动角度的测量值，确定第二补偿值；根据所述第一补偿值和所述第二补偿值，确定对所述齿轮码盘上的轮齿进行跳动误差补偿处理的补偿值。

作为本发明提供的上述补偿方法的一种优选的技术方案，多个所述轮齿在轮齿齿形上同一部位分别设置一个所述测量点，所述的“根据不同轮齿上设定的多个测量点的读数值，确定第一补偿值”包括：根据不同所述轮齿上的同一部位的所述测量点转动角度的测量值，确定第一补偿值。

作为本发明提供的上述齿轮式编码器的补偿方法的一种优选的技术方案，所述的“根据不同所述轮齿上的同一部位的所述测量点转动角度的测量值，确定第一补偿值”包括：计算多个不同所述轮齿上的同一部位的所述测量点转动角度的测量值的平均值；将所述平均值做归一化处理；根据所述归一化处理后的数据，确定第一补偿值。

作为本发明提供的上述齿轮式编码器的补偿方法的一种优选的技术方案，所述的“根据所述归一化处理后的数据，确定第一补偿值”包括：根据所述归一化处理后的数据，确定出第一补偿曲线；基于所述第一补偿曲线，确定第一补偿值。

作为本发明提供的上述齿轮式编码器的补偿方法的一种优选的技术方案，所述的“根据所述归一化处理后的数据，确定出第一补偿曲线”包括：所述归一化处理后的数据通过最小二乘法或拉格朗日插值法拟合形成所述第一补偿曲线。

作为本发明提供的上述齿轮式编码器的补偿方法的一种优选的技术方案，在“多个所述轮齿在轮齿齿形上同一部位分别设置一个所述测量点”的步骤中，所述轮齿的数量至少大于整个齿轮码盘总齿数的三分之一。

作为本发明提供的上述齿轮式编码器的补偿方法的一种优选的技术方案，所述的“根据同一所述轮齿内设定的所述测量点转动角度的测量值，确定第二补偿值”，包括：获取每个所述轮齿内的多个所述测量点转动角度的最大正幅值；根据获取的最大正幅值中的至少一部分，确定第二补偿值。

作为本发明提供的上述齿轮式编码器的补偿方法的一种优选的技术方案，所述的“根据获取的最大正幅值中的至少一部分，确定第二补偿值”包括：将获取的所有最大正幅值中的最大值，作为第二补偿值。

作为本发明提供的上述齿轮式编码器的补偿方法的一种优选的技术方案，“根据所述第一补偿值和所述第二补偿值对所述齿轮码盘上的轮齿进行跳动误差补偿处理”包括：根据第一补偿值和第二补偿值乘积获取轮齿上对应测量点的跳动误差补偿值，并根据此跳动误差补偿值对轮齿进行补偿处理。

在采用上述技术方案的情况下，本发明的齿轮式编码器的补偿方法具有如下的技术效果：

通过根据不同轮齿上设定的测量点转动角度的测量值，确定第一补偿值；根据同一轮齿内的测量点转动角度的测量值，确定第二补偿值；根据第一补偿值和第二补偿值对齿轮码盘上的轮齿进行跳动误差补偿处理。如此，在安装误差补偿的基础上对齿轮式编码器上的各个轮齿的齿形跳动造成的偏差又进行了补偿，提高编码器的定位精度。

第二方面，本发明提供了一种齿轮式编码器的补偿系统，该系统包括控制模块，所述控制模块能够被配置为执行前述任一项所述的齿轮式编码器的补偿方法。

该系统具有前述的补偿方法的所有技术效果，在此不再赘述。

附图说明

下面结合附图来描述本发明的齿轮式编码器的补偿方法的优选实施方式，附图中：

图1是本发明一种实施例的齿轮式编码器的补偿方法的主要流程示意图；

图2是本发明一种实施例的齿轮式编码器的补偿方法的详细流程示意图；以及

图3是本发明一种实施例的齿轮式编码器中齿轮码盘的各轮齿内测量点误差数据的波形示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，本实施例的齿轮式编码器的补偿方法对于齿轮式编码器的补偿主要是对于齿轮式编码器中齿轮码盘上的各轮齿的跳动误差进行补偿修正。而本实施例的补偿方法使用之前，需要先使用编码器补偿装置对齿轮式编码器的齿轮码盘进行安装误差补偿。编码器补偿装置主要包括驱动器、电机、齿轮式编码器和超高精度编码器。

其中，齿轮式编码器包括齿轮码盘以及与齿轮码盘配置使用的读数头；超高精度编码器包括环形码盘以及与环形码盘配置使用的读数头；驱动器是整个编码器补偿装置的控制部分，驱动器用于控制电机旋转，还用于收集齿轮式编码器中读数头采集齿轮码盘转动角度的测量值和超高精度编码器中读数头采集环形码盘转动角度的测量值，再把两种测量值的差值进行比较运算，得到齿轮式编码器的安装误差补偿数据，然后将得到的安装误差补偿数据存储在计算机可读存储介质中。如此，便可通过编码器补偿装置对齿轮式编码器的安装误差进行补偿。

具体地，对于齿轮式编码器的安装误差补偿过程如下所述：

在齿轮式编码器的齿轮码盘的各轮齿上标注测量点，齿轮式编码器和超高精度编码器均安装在电机的输出轴上，将超高精度编码器和齿轮式编码器的零度位置对齐，然后转动一周，齿轮式编码器的读数头以及超高精度编码器的读数头分别获取对应于各测量点的转动角度值，对应于各测量点的转动角度值的做差，便可获得各测量点位置的补偿数据。根据各测量点位置的补偿数据对齿轮式编码器的安装误差进行补偿。

经过对齿轮式编码器的齿轮码盘进行安装误差补偿后，需要进一步对齿轮式编码器上齿轮码盘的各轮齿跳动造成的跳动误差进行补偿，以此来提高齿轮式编码器的定位精度。

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的齿轮式编码器存在因齿轮码盘各个轮齿跳动导致定位精度不高的问题，参见图1和图2，本实施例提供的齿轮式编码器的补偿方法主要包括如下步骤：

S10、使齿轮式编码器中的齿轮码盘按照设定的方式旋转，获取齿轮码盘上每一个轮齿上预设的测量点的转动角度的测量值；

S20、根据不同轮齿上设定的测量点转动角度的测量值，确定第一补偿值；

S30、根据同一轮齿内设定的测量点转动角度的测量值，确定第二补偿值；

S40、根据第一补偿值和第二补偿值，确定对齿轮码盘上的轮齿进行跳动误差补偿处理的补偿值。

需要说明的是，如图3所示，图3中示出了5个不同轮齿上每个轮齿内的测量点转动角度的测量值的数据波形图，横坐标代表轮齿的齿数，纵坐标代表对应轮齿上测量点转动角度的测量值，图中每个轮齿内同一位置的测量点转动角度的测量值的数据趋势一致，不同的只是各个轮齿上的振动幅值。

在一种可能的实施方式中，S10具体为：

基于齿轮式编码器的齿轮码盘已经进行过安装误差补偿，在齿轮码盘的各轮齿上分别设置多个测量点，然后使齿轮码盘转动一周。

如齿轮码盘的轮齿数通常有128、256、512和1024四种。本实施例中，选取齿轮码盘的轮齿数为256，以及在各个轮齿上设定36个测量点。

可以理解的是，对于齿轮码盘选择为轮齿数为256以及在各个轮齿上取36个设定测量点为参考是示意性的，在其他的实施方式中还可以选取其他齿数的齿轮码盘以及各轮齿上选取其他数量的测量点和相应的轮齿数量。例如，可以将齿轮码盘选择为轮齿数为256以及在各个轮齿上取50个设定测量点为参考。当然，对于齿轮码盘中多个测量点的选取，可以采用将两个相邻的测量点在轮齿齿形上的间隔距离相等均匀分布在轮齿齿形的外轮廓上，如此尽可能的将选取的多个测量点能够覆盖整个轮齿齿形，同时，对于齿轮码盘中测量点数量的选取，选取的数量越多其对应的计算精度越高，但其运算时间也会增长。

在一种可能的实施方式中，S20具体为：

由于齿轮码盘上各个轮齿的齿形大致相同，每个轮齿内的测量点转动角度的测量值的数据趋势一致，因此，多个轮齿在同一部位分别设置一个测量点；根据不同轮齿上的同一部位的测量点转动角度的测量值，确定第一补偿值。此外，为了快速获取轮齿内的测量点转动角度的测量值的趋势，可以选取齿轮码盘中的少数轮齿来计算，但为了保证轮齿内各测量点趋势的准确性，至少需要取整个齿轮码盘总齿数的三分之一。

例如，可以选取齿轮码盘的轮齿数为256、在各个轮齿上设定36个测量点为例，本实施例中选取齿轮码盘上的90个轮齿。在齿轮码盘的第一轮齿至第九十轮齿上齿形相同的部位分别设置36个测量点。通过齿轮式编码器中读数头来获取对应齿轮码盘中选取的各轮齿上测量点转动角度的测量值，根据不同轮齿上的同一部位的测量点转动角度的测量值，确定第一补偿值。

其中，作为本实施例的齿轮式编码器的补偿方法的一种具体的实现方式，步骤S20具体包括：

S201、计算多个不同轮齿上的同一部位的测量点转动角度的测量值的平均值；

S202、将平均值做归一化处理；

S203、根据归一化处理后的数据，确定第一补偿值。

例如，选取齿轮码盘的轮齿数为256、选取其中的90个轮齿、在各个轮齿上设定36个测量点为例，第一轮齿至第九十轮齿的齿形相对应的位置的第一至第三十六测量点转动角度的测量值的平均值分别为X₁、X₂、…、X₉₀。然后将X₁至X₉₀进行归一化处理，如将X₁至X₉₀分别除以X₁至X₉₀中的最大正值完成归一化处理，从而得到描述轮齿齿内测量点转动角度的测量值的趋势的数据X`<sub>1</sub>、X`₂、…、X`₉₀，根据上述数据确定第一补偿值。当然，还可以对第一轮齿至第九十轮齿设置平均值加权系数，当计算出第一轮齿至第九十轮齿的测量点转动角度的测量值的平均值分别为X₁、X₂、…、X₉₀时，在相应的乘以对应的加权系数，计算出归一化所需的各测量点转动角度的测量值的平均值，然后对上述平均值进行归一化处理，从而得到描述轮齿齿内测量点转动角度的测量值的趋势的数据X``<sub>1</sub>、X``₂、…、X``₉₀。

如可以基于测量点转动角度的平均值做归一化处理之后的数据拟合成第一补偿曲线，这样便可根据第一补偿曲线确定出对应于任意测量点的第一补偿值，本领域技术人员可以根据实际情形选择具体的拟合方式将归一化处理后的数据进行拟合成第一补偿曲线如最小二乘法或拉格朗日插值法等。例如，第一补偿曲线可以通过正弦函数来近似描述，横坐标代表测量点在轮齿内的具体位置，纵坐标代表该测量点对应的轮齿跳动的程度值，根据轮齿跳动的程度值来得出第一补偿值。其中，可以直接通过第一补偿曲线获取第一补偿值，也可以在获取第一补偿曲线上对应的轮齿跳动的程度值之后，再对其进行加权处理以此来获取第一补偿值。

当然，第一补偿曲线还可以通过抛物线来近似描述，横坐标代表测量点在轮齿内的具体位置，纵坐标代表该测量点对应的轮齿跳动的程度值。同样可以采用上述通过对第一补偿曲线读数值加权的方式来获取测量点对应的第一补偿值。

可以理解的是，上述通过正弦函数和抛物线来近似描述第一补偿曲线的方式是示意性的，在其他的实施方式中也可以采用其他方式，只要其能够满足描述测量点在轮齿内变化趋势的曲线即可。

当然，为了提高第一补偿曲线的精度，可以通过在各轮齿上选取更多的测量点的方式，也可以选择选择更多的轮齿数量的方式。例如，可以选取齿轮码盘的轮齿数为256，选取其中的90个轮齿，以及在各个轮齿上设定50个测量点为例。此外，还可以选取齿轮码盘的轮齿数为256，选取其中的150个轮齿，以及在各个轮齿上设定36个测量点为例。

需要说明的是，由于齿轮码盘上各个轮齿的齿形大致相同，每个轮齿内的测量点转动角度的测量值的数据趋势一致，不同的只是各个轮齿上的振动幅值。因此，在一种可能的实施方式中，S30具体为：

在获取每个轮齿内的测量点转动角度的测量值的数据趋势线之后，还需要获取各个轮齿上对应的振动幅值。在齿轮码盘上各轮齿齿轮码盘转动一周时，获取每个轮齿内的多个测量点转动角度的最大正幅值；根据获取的最大正幅值中的至少一部分，确定第二补偿值。例如，以每间隔一个轮齿的方式来挑选出对应轮齿的最大正幅值，将挑选出来的对应轮齿的最大正幅值以及对应的齿轮来获取各轮齿上最大正幅值的变化趋势曲线，根据最大正幅值的变化趋势曲线来获取对应的各轮齿上的最大正幅值，以此来确定各轮齿上测试点对应的第二补偿值。当然，对于各轮齿上最大正幅值的变化趋势曲线也可以通过对挑选出来的对应轮齿的最大正幅值进行最小二乘法或拉格朗日插值法进行拟合形成。当然，也可以对最大正幅值的变化趋势曲线添加趋势的加权系数，通过获取对应轮齿上的最大正幅值时，还需要与加权系数乘积来获取第二补偿值。

当然，也可以获取齿轮码盘上每个轮齿内的多个测量点转动角度的最大正幅值，根据每个轮齿内的多个测量点转动角度的最大正幅值确定第二补偿值。

此外，在其他的实施方式中，对于第二补偿值的获取，还可以在获取个轮齿上对应的最大正幅值后，在各自轮齿对应的最大正幅值上乘以相应的加权系数，进一步提高各轮齿对应的第二补偿值的准确性。

当然，还可以在获取齿轮码盘上每个轮齿内的多个测量点转动角度的最大正幅值之后，对获取的所有最大正幅值进行比较，挑出所有最大正幅值范围内的最大值，并以此作为第二补偿值。

在一种可能的实施方式中，S40具体为：

根据第一补偿值和第二补偿值乘积获取轮齿上对应测量点的跳动误差补偿值，并根据此跳动误差补偿值对轮齿进行补偿处理。

在一种具体的示例中，第一补偿曲线类似于正弦函数，其中，正弦函数的横坐标为测量点在轮齿上的具体位置，纵坐标为该测量点对应的轮齿跳动的程度值，测量点对应的第二补偿值的值为A，这样一来，可以通过y＝Asinx来表达齿轮码盘对应轮齿的齿形跳动补偿数据正弦函数，其中y为测量点对应的轮齿跳动误差补偿值。

在另一种具体的示例中，第一补偿曲线类似于抛物线，其中，抛物线的横坐标为测量点在轮齿上的具体位置，纵坐标为该测量点对应的轮齿跳动的程度值，测量点对应的第二补偿值的值为B，这样一来可以通过y＝Bax²来表达齿轮码盘对应轮齿的齿形跳动补偿数据抛物线函数，其中，y为测量点对应的轮齿跳动误差补偿值。

上述通过第一补偿值和第二补偿值乘积获取轮齿上对应测量点的跳动误差补偿值的方式是示意性的，在其他的实施方式中还可以采用其他形式。例如，为了测量点对应的轮齿跳动误差补偿值的准确性，也可以在上述的示例中第一补偿值和第二补偿值采用其他的运算方式来获得，如在乘积的基础上增加一个系数、除了乘积之后引入其他的参数，或者为对第一补偿值和第二补偿值分别设定一个权重，以加权求和的方式确定轮齿跳动误差补偿值。

可以看出，本实施例的齿轮式编码器的补偿方法通过根据不同轮齿上设定的测量点转动角度的测量值，确定第一补偿值；根据同一轮齿内的测量点转动角度的测量值，确定第二补偿值；根据第一补偿值和第二补偿值，对齿轮码盘上的轮齿进行跳动误差补偿处理。这样一来，在安装误差补偿的基础上，对齿轮式编码器上的各个轮齿的齿形跳动造成的偏差又进行了补偿，提高编码器的定位精度。

需要指出的是，尽管上述实施例中将各个步骤按照特定的先后顺序进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本发明的效果，不同的步骤之间并非必须按照这样的顺序执行，其可以同时执行或以其他顺序执行，也可以增加、替换或者省略某些步骤，这些变化都在本发明的保护范围之内等。

需要说明的是，尽管以上述具体方式所构成的控制方法作为示例进行了介绍，但本领域技术人员能够理解，本发明应不限于此。事实上，用户完全可根据以及实际应用场景等情形灵活地调整相关的步骤以及步骤中的参数等要素。

本发明还提供了一种齿轮式编码器的补偿系统，该系统包括控制模块，控制模块能够被配置为执行前述的齿轮式编码器的补偿方法。

在本发明的描述中，“控制模块”可以包括硬件、软件或者两者的组合。一个模块可以包括硬件电路，各种合适的感应器，通信端口，存储器，也可以包括软件部分，比如程序代码，也可以是软件和硬件的组合。处理器可以是中央处理器、微处理器、图像处理器、数字信号处理器或者其他任何合适的处理器。处理器具有数据和/或信号处理功能。处理器可以以软件方式实现、硬件方式实现或者二者结合方式实现。非暂时性的计算机可读存储介质包括任何合适的可存储程序代码的介质，比如磁碟、硬盘、光碟、闪存、只读存储器、随机存取存储器等等。

进一步，应该理解的是，由于控制模块的设定仅仅是为了说明对应于本发明的齿轮式编码器的补偿方法的系统中的功能单元，因此控制模块对应的物理器件可以是处理器本身，或者处理器中软件的一部分，硬件的一部分，或者软件和硬件结合的一部分。因此，控制模块的数量为一个仅仅是示意性的。本领域技术人员能够理解的是，可以根据实际情况，对控制模块进行适应性地拆分。对控制模块的具体拆分形式并不会导致技术方案偏离本发明的原理，因此，拆分之后的技术方案都将落入本发明的保护范围内。

需要说明的是，尽管上文详细描述了本发明方法的详细步骤，但是，在不偏离本发明的基本原理的前提下，本领域技术人员可以对上述步骤进行组合、拆分及调换顺序，如此修改后的技术方案并没有改变本发明的基本构思，因此也落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种齿轮式编码器的补偿方法，其特征在于，所述补偿方法包括：

使齿轮式编码器中的齿轮码盘按照设定的方式旋转，获取所述齿轮码盘上每一个轮齿上预设的测量点的转动角度的测量值；

根据不同所述轮齿上设定的所述测量点转动角度的测量值，确定第一补偿值；

获取每个所述轮齿内的多个所述测量点转动角度的最大正幅值；

根据获取的最大正幅值中的至少一部分，确定第二补偿值；

根据所述第一补偿值和所述第二补偿值，确定对所述齿轮码盘上的轮齿进行跳动误差补偿处理的补偿值。

2.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，多个所述轮齿在轮齿齿形上同一部位分别设置一个所述测量点，所述的“根据不同轮齿上设定的多个测量点的读数值，确定第一补偿值”包括：

根据不同所述轮齿上的同一部位的所述测量点转动角度的测量值，确定第一补偿值。

3.根据权利要求2所述的补偿方法，其特征在于，所述的“根据不同所述轮齿上的同一部位的所述测量点转动角度的测量值，确定第一补偿值”包括：

计算多个不同所述轮齿上的同一部位的所述测量点转动角度的测量值的平均值；

将所述平均值做归一化处理；

根据所述归一化处理后的数据，确定第一补偿值。

4.根据权利要求3所述的补偿方法，其特征在于，所述的“根据所述归一化处理后的数据，确定第一补偿值”包括：

根据所述归一化处理后的数据，确定出第一补偿曲线；

基于所述第一补偿曲线，确定第一补偿值。

5.根据权利要求4所述的补偿方法，其特征在于，所述的“根据所述归一化处理后的数据，确定出第一补偿曲线”包括：

所述归一化处理后的数据通过最小二乘法或拉格朗日插值法拟合形成所述第一补偿曲线。

6.根据权利要求2所述的补偿方法，其特征在于，在“多个所述轮齿在轮齿齿形上同一部位分别设置一个所述测量点”的步骤中，所述轮齿的数量至少大于整个齿轮码盘总齿数的三分之一。

7.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，其特征在于，所述的“根据获取的最大正幅值中的至少一部分，确定第二补偿值”包括：

将获取的所有最大正幅值中的最大值，作为第二补偿值。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的补偿方法，其特征在于，所述的“根据所述第一补偿值和所述第二补偿值，确定对所述齿轮码盘上的轮齿进行跳动误差补偿处理的补偿值”包括：

根据所述第一补偿值和所述第二补偿值乘积获取所述轮齿上对应所述测量点的跳动误差补偿值，并根据此跳动误差补偿值对所述轮齿进行补偿处理。

9.一种齿轮式编码器的补偿系统，其特征在于，包括控制模块，所述控制模块能够被配置为执行如权利要求1至8中任一项所述的齿轮式编码器的补偿方法。