CN114739283A - 高精度双编码器舵机角度反馈系统及故障监测与处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度双编码器舵机角度反馈系统及故障监测与处理方法，反馈系统包括空心轴绝对式旋转编码器、非接触数字式磁编码器、信号转换模块Ⅰ和信号转换模块Ⅱ；本发明的故障监测与处理方法包括以下步骤：Step1.采用空心轴绝对式旋转编码器和非接触数字式磁编码器分别采集舵机输出轴的角度信号，并通过信号处理模块将角度信号输出至控制器；Step 2.所述控制器通过滤波方法，将得到的角度信号进行处理，消除偶然出现的脉冲性干扰；Step 3.将滤波处理后的角度信号减去机械零位的角度得到舵机相对机械零位的相对角度；Step 4.最后通过角度选择机制得到实际舵角；本发明可以大大提高舵机角度反馈系统的精度与可靠性，具有重要的现实意义及应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及涉及自动控制领域，具体涉及一种高精度双编码器舵机角度反馈系统及故障监测与处理方法。
背景技术
电动舵机在当代舰艇、潜艇执行任务过程中发挥着极为重要的作用，舰载计算机向舵机控制器发送设定舵角指令，舵机控制器驱动舵机进而带动舵叶旋转，以改变航行方向与轨迹。在舵机控制系统中，角位移传感器是最为关键的部件，它能获得舵机的实际角度，是舵机闭环控制系统中反馈部分的关键，影响着整个系统的控制精度。然而现有舵机控制系统中大部分采用模拟式角位移传感器，角度反馈精度低，同时容易受到诸多因素的干扰，如震动，电压波动等，同时单个角位移传感器失效时没有其它传感器提供舵角反馈，系统面临着崩溃的危险。针对上述问题，本发明设计了一种高精度双编码器舵机反馈系统及故障监测与应急处理机制，具有重要现实意义。
发明内容
本发明的目的是提出了一种高精度双编码器舵机角度反馈系统及故障监测与处理方法，可以大大提高舵机角度反馈系统的精度与可靠性，具有重要的现实意义及应用价值。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高精度双编码器舵机角度反馈系统，包括空心轴绝对式旋转编码器、非接触数字式磁编码器、信号转换模块I和信号转换模块Ⅱ；所述空心轴绝对式旋转编码器外套安装于舵机输出轴远离舵叶的轴段；所述非接触数字式磁编码器安装于舵机轴盖并与舵机输出轴远离舵叶的端面相对；所述信号转换模块 I和信号转换模块Ⅱ分别用于将空心轴绝对式旋转编码器和非接触数字式磁编码器获得的角度信号传输至控制器；所述控制器用于将角度信号进行滤波处理。
本发明还公开了一种舵机故障监测与处理方法，包括以下步骤：
Step 1.采用空心轴绝对式旋转编码器和非接触数字式磁编码器分别采集舵机输出轴的角度信号，并通过信号处理模块将角度信号输出至控制器；
Step 2.所述控制器通过滤波方法，将得到的角度信号进行处理，消除偶然出现的脉冲性干扰；
Step 3.将滤波处理后的角度信号减去机械零位的角度得到舵机相对机械零位的相对角度；
Step 4.最后通过角度选择机制得到实际舵角。
进一步，步骤Step 3中，两个编码器在舵机机械零位处的绝对角度获得方法包括以下步骤：
Step 31.获取调零指令；
Step 32.控制舵机向固定方向转动；
Step 33.实时监测舵机电流变化，当电流升高超过设定阈值时，舵机停转，并记录当前角度值θ；
Step 34.控制舵机向另一方向转动；
Step 35.实施检测舵机电流变化，当电流升高超过设定阈值时，舵机停转，并记录当前角度值γ；
Step 36.得到零点角度α＝(θ+γ)/2；
Step 37.控制电机反转回到零点。
进一步，步骤Step4中，所述角度选择机制为：
αr＝k1·α1+k2·α2；
k1+k2＝1；
式中：αr代表最终得到的相对舵机机械零位的实际角度，α1代表从空心轴绝对式旋转编码器得到的舵机角度，α2代表从非接触数字式磁编码器得到的舵机角度，k1,k2分别为两者的比例系数。
进一步，所述角度选择机制的实施过程为：系统开始运行时，选择非接触数字式磁编码器得到的角度为舵机实际角度，即k2＝1,k1＝0；在系统运行过程中，如果监测到非接触数字式磁编码器获得的角度超出合理的角度范围或者控制器与非接触数字式磁编码器通信中断，则令k2＝0,k1＝1，选择空心轴绝对式旋转编码器作为舵机角度来源，若两个编码器都出现故障，则k2＝0,k1＝0，上报故障信息，系统停止运行。
附图说明
图1为采用双编码器的安装示意图；
图2为舵机输出轴部分结构示意图；
图3为角度选择流程图；
图4为获得编码器机械零位角度流程图；
图5为舵机结构示意图；
图6为编码器故障监测与处理方法流程图；
图7为通信故障监测与处理机制。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明技术方案进一步说明。
实施例一
如图1、2所示，本实施例的一种高精度双编码器舵机角度反馈系统，包括不少于14位的空心轴绝对式旋转编码器3、非接触数字式磁编码器、信号转换模块I和信号转换模块Ⅱ；所述空心轴绝对式旋转编码器3外套安装于舵机输出轴2远离舵叶1的轴段；所述非接触数字式磁编码器安装于舵机轴盖5并与舵机输出轴2远离舵叶1的端面相对；输出轴远离舵叶1的端面上安装有磁铁6；两个编码器均可以获得角度误差在0.05°以内的舵机输出轴2的绝对角度；所述信号转换模块I和信号转换模块Ⅱ分别用于将空心轴绝对式旋转编码器3和非接触数字式磁编码器获得的角度信号传输至控制器；所述控制器用于将角度信号进行滤波处理。
实施例二
本实施例中的一种舵机故障监测与处理方法，包括以下步骤：
Step 1.采用空心轴绝对式旋转编码器3和非接触数字式磁编码器4分别采集舵机输出轴2的角度信号，并通过信号处理模块将角度信号输出至控制器；
Step 2.所述控制器通过滤波方法，包括但不限于防脉冲干扰平均滤波法、卡尔曼滤波算法，将得到的角度信号进行处理，消除偶然出现的脉冲性干扰；
Step 3.将滤波处理后的角度信号减去机械零位的角度得到舵机相对机械零位的相对角度；其具体步骤为：
Step 31.获取调零指令；
Step 32.控制舵机向固定方向转动；
Step 33.实时监测舵机电流变化，当电流升高超过设定阈值时，舵机停转，并记录当前角度值θ；
Step 34.控制舵机向另一方向转动；
Step 35.实施检测舵机电流变化，当电流升高超过设定阈值时，舵机停转，并记录当前角度值γ；
Step 36.得到零点角度α＝(θ+γ)/2；
Step 37.控制电机反转回到零点；
Step 4.最后通过角度选择机制得到实际舵角；所述角度选择机制为：
αr＝k1·α1+k2·α2；
k1+k2＝1；
式中：αr代表最终得到的相对舵机机械零位的实际角度，α1代表从空心轴绝对式旋转编码器3得到的舵机角度，α2代表从非接触数字式磁编码器4得到的舵机角度，k1,k2为两者的比例系数。系统开始运行时，选择编码器4得到的角度为舵机实际角度，即k2＝1,k1＝0；在系统运行过程中，如果监测到编码器4 获得的角度超出合理的角度范围或者控制器与编码器4通信中断，则令 k2＝0,k1＝1，选择编码器3作为舵机角度来源，提高系统的可靠性，若两个编码器都出现故障，则k2＝0,k1＝0，上报故障信息，系统停止运行。本发明提出的舵机故障监测与处理机制。角度反馈出现的故障分为两种，一种是编码器故障，另一种是通信故障；出现编码器故障时，获得的角度反馈会超出机械限位的范围，其故障监测与处理机制如图6所示。出现通信故障时，其故障监测与处理机制如图7所示。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种高精度双编码器舵机角度反馈系统，其特征在于，包括：空心轴绝对式旋转编码器、非接触数字式磁编码器、信号转换模块Ⅰ和信号转换模块Ⅱ；所述空心轴绝对式旋转编码器外套安装于舵机输出轴远离舵叶的轴段；所述非接触数字式磁编码器安装于舵机轴盖并与舵机输出轴远离舵叶的端面相对；所述信号转换模块Ⅰ和信号转换模块Ⅱ分别用于将空心轴绝对式旋转编码器和非接触数字式磁编码器获得的角度信号传输至控制器；所述控制器用于将角度信号进行滤波处理。
2.一种采用权利要求1所述的反馈系统的舵机故障监测与处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step 1.采用空心轴绝对式旋转编码器和非接触数字式磁编码器分别采集舵机输出轴的角度信号，并通过信号处理模块将角度信号输出至控制器；
Step 2.所述控制器通过滤波方法，将得到的角度信号进行处理，消除偶然出现的脉冲性干扰；
Step 3.将滤波处理后的角度信号减去机械零位的角度得到舵机相对机械零位的相对角度；
Step 4.最后通过角度选择机制得到实际舵角。
3.根据权利要求2所述的舵机故障监测与处理方法，其特征在于：
步骤Step 3中，两个编码器在舵机机械零位处的绝对角度获得方法包括以下步骤：
Step 31.获取调零指令；
Step 32.控制舵机向固定方向转动；
Step 33.实时监测舵机电流变化，当电流升高超过设定阈值时，舵机停转，并记录当前角度值θ；
Step 34.控制舵机向另一方向转动；
Step 35.实施检测舵机电流变化，当电流升高超过设定阈值时，舵机停转，并记录当前角度值γ；
Step 36.得到零点角度α＝(θ+γ)/2；
Step 37.控制电机反转回到零点。
4.根据权利要求2所述的舵机故障监测与处理方法，其特征在于：
步骤Step 4中，所述角度选择机制为：
αr＝k1·α1+k2·α2；
k1+k2＝1；
式中：αr代表最终得到的相对舵机机械零位的实际角度，α1代表从空心轴绝对式旋转编码器得到的舵机角度，α2代表从非接触数字式磁编码器得到的舵机角度，k1,k2分别为两者的比例系数。
5.根据权利要求4所述的舵机故障监测与处理方法，其特征在于：所述角度选择机制的实施过程为：系统开始运行时，选择非接触数字式磁编码器得到的角度为舵机实际角度，即k2＝1,k1＝0；在系统运行过程中，如果监测到非接触数字式磁编码器获得的角度超出合理的角度范围或者控制器与非接触数字式磁编码器通信中断，则令k2＝0,k1＝1，选择空心轴绝对式旋转编码器作为舵机角度来源，若两个编码器都出现故障，则k2＝0,k1＝0，上报故障信息，系统停止运行。
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|---|---|---|---|---|
| CN116499419A (zh) * | 2023-06-27 | 2023-07-28 | 西安高商智能科技有限责任公司 | 一种舵机旋转角度异常检测方法及系统 |
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| CN116499419A (zh) * | 2023-06-27 | 2023-07-28 | 西安高商智能科技有限责任公司 | 一种舵机旋转角度异常检测方法及系统 |
| CN116499419B (zh) * | 2023-06-27 | 2023-10-20 | 西安高商智能科技有限责任公司 | 一种舵机旋转角度异常检测方法及系统 |
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