CN115824286B - 角度编码器误差快速检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密轴角测量技术领域，具体涉及一种角度编码器误差快速检测装置及检测方法。角度编码器误差快速检测装置包括：精密转台、转台驱动器、被测编码器、数据采集卡和计算机系统；检测装置的精密转台集成了转台电机，基准编码器和联轴基座，转台驱动器驱动精密转台实现闭环控制，转台在转动的同时，数据采集卡同步锁存基准编码器角度值和被测编码器角度值，以实现同步检测，将锁存的两种角度值传输到计算机系统进行误差处理，从而实现编码器角度值误差快速检测。

Description

角度编码器误差快速检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于精密轴角测量技术领域，具体涉及角度编码器误差快速检测装置及检测方法。

背景技术

编码器误差是衡量编码器性能的重要指标。目前，现有编码器误差检测方法主要有以下几种：

1、采用多面棱体-自准直仪法，将多面棱体与被测编码器同轴连接，自准直仪读取多面棱体每个面上的角度值，与被测编码器的输出角度值做比较，进而测出被测编码器的误差。该检测方法的缺点是：对面棱体一般不超过30个面，检测时，编码器一周的采样点少，不能够全面反映编码器的误差细节。

2、多齿分度台法，将多齿分度盘与被测编码器同轴连接，以多齿分度台为位置基准，按特定步距，与被测编码器输出的角度值进行对比，进而测出被测编码器的误差。该检测方法的缺点是：检测时，旋转轴每转到一个检测点位置，需要停止转动，再检测误差数据，检测周期长，如果检测一圈数千个点，需要几个小时才能完成。

3、激光干涉仪检测法，激光干涉仪发射单一频率光束，光束射入线性干涉镜后分成两道光束射向干涉仪旋转云台内置的反射镜，这两道光束再反射回到分光镜，然后重新汇聚返回激光干涉仪。若光程差有变化时，这些变化会被计算并用来检测两个光程之间的差异变化。干涉仪旋转云台安装在被测旋转轴上，旋转轴每转到一个检测点位置，停止转动几秒，干涉仪计算一次光程差变化，该变化即为被测编码器的误差。该检测方法存在如下缺陷：（1）检测误差数据量少（一般不多于360个）；（2）旋转轴每转到一个检测点位置，需要停止转动，再检测误差数据，检测时间长。

角度编码器在生产制造过程中或用户安装调试过程中，需要遍历角度编码器的更多、更精细的角度值信息，这样才能全面反映编码器的角度值信息特征，确认编码器角度检测的可靠性。根据实践经验，通常编码器每圈需要检测几千甚至上万个检测点，如果按照上述检测方法每圈进行几千个点的检测，耗时将近数小时才能完成，这将大大影响产品的生产效率。

在公开号为CN208751603U（公开日2019年04月16日）的中国专利申请中，提出一种编码器校正系统，在编码器误差检测时，在page3-0024段落中，提到，采用了“上述数据缓冲装置4用于在被测编码器1与基准编码器2同步旋转时，以相同的采样周期同时采集被测编码器1和基准编码器2输出的位置信号”，专利中，并没有提到“同时采集被测编码器1和基准编码器2输出的位置信号”的具体方法和措施，即如何同步被测编码器1和基准编码器2输出的位置信号；因不同类型的编码器输出数据的方式有所不同，编码器分为增量式编码器和绝对式编码器，对于增量式光电编码器，角度值输出方式通常是以两路正交的方波信号形式输出，编码器旋转时，这两路方波信号会交替变化，数据采集卡捕获方波信号的上升沿，然后进行加计数或减计数，从而实现编码器角度值的获取，这种角度计数方法无需给编码器发出角度值获取指令，计算速度非常快，以当前的MCU（微控制单元）或FPGA（现场可程式门阵列）计算速度，一般在0.5µs内可以计算完成。对于绝对式光电编码器，其角度值方式有两种类型：1)上位机主动发出同步指令，编码器收到同步指令后，编码器立刻启动信号捕获，捕获信号原始信息，并将其解码，解算出角度值，然后按照特定的通讯协议将角度值送给上位机，这里称作从动输出型编码器；2）绝对式光电编码器不受上位机的同步指令，自身定时启动信号捕获，并将其解算为角度值，然后按照特定的通讯协议将角度值送给上位机，这里称作主动输出型编码器。上述专利并没有明确编码器的类型，也没有明确装置在转动中测量角度误差时，不同类型的编码器同步延迟的因素的影响。

在公开号为CN209857935U（公开日2019年12月27日）的中国专利中，提出一种用于检测光电编码器精度的检测装置，实现光电编码器精度的自动化测量，提高了误差测量效率，在page5-0018中提到“通过同步轮-同步带传动机构使得永磁同步电机带动待测光电编码器和基准编码器同步旋转，同时对待测光电编码器和基准编码器数据进行采集，对采集的数据进行处理得到待测光电编码器的精度数据”，该文献同样没有提到“同时对待测光电编码器和基准编码器数据进行采集”的具体方法和措施，即如何同步被测编码器和基准编码器输出的位置信号。

在公开号为CN215726054U（公开日2022年02月01日）的中国专利中，提出一种基于基准编码器的严格同步采集校正装置，专利中提到“为了保证待校正编码器和基准编码器在同一时刻收到数据请求指令，需要把伺服驱动器的数据请求指令在可选通的情况下和数据采集板向待校正编码器发送的数据请求 指令合并为一(在采集板向待校正编码器写入补偿值时，则关闭驱动器数据请求指令向待校正编码器的馈入通道)。这样在驱动器向基准编码器发送数器请求指令时，同时也会向待校正编码器发送数据请求指令。由于采集模式下待校正编码器和基准编码器的数据请求指令协议一致，因此可以确保两编码器同一时刻收到数据请求指令。再把基准编码器和待校正编码器的总线数据送入到数据采集板，可以确保数据采集板上得到的数据同步性”，从中可以知道，基准编码器的角度值闭环是靠伺服驱动器主动发出指令，发出指令的同时将指令传递给采集板，基准编码器的角度值分两路输出，一路给伺服驱动器，另一路给采集板，采集板同时收到指令后，向被测编码器发出角度值采集指令，同步采集基准编码器的角度值和被测编码器的角度值。这种“严格同步采集”的前提是基准编码器和被测编码器采用完全相同的通讯协议，而且二者必须是从动输出型编码器才能实现“严格同步采集”，在实际应用时，被测编码器的类型会受到限制，这种方法对于基准编码器是增量式编码器或者被测编码器是主动输出型编码器，“严格同步采集”是无效的。

发明内容

本发明为解决上述问题，在保证编码器误差快速测量的同时，并放宽对被测编码器类型的限制，比如可以适用于增量式编码器、主动输出型编码器，提出了一种角度编码器误差快速检测装置及检测方法。

本发明第一目的是提供一种角度编码器误差快速检测装置，包括精密转台、转台驱动器、被测编码器、数据采集卡、计算机系统；

精密转台包括转台电机、基准编码器、联轴基座，所述联轴基座、转台电机和基准编码器由上至下依次连接；所述被测编码器通过所述联轴基座与所述精密转台同轴连接；

基准编码器连接基准编码器输出线路，所述基准编码器输出线路分为两路输出，一路输出连接到数据采集卡，另一路输出连接到转台驱动器；

被测编码器设有被测编码器线缆，通过被测编码器线缆与所述数据采集卡连接；

计算机系统分别连接所述的转台驱动器和所述的数据采集卡；所述计算机系统通过所述转台驱动器控制所述精密转台的速度和位置，在所述精密转台的转动下带动所述基准编码器和所述被测编码器同步转动，并通过所述数据采集卡同步采集所述基准编码器和所述被测编码器的同步角度值数据。

优选地，基准编码器是增量式编码器。

优选地，被测编码器为光电型、磁电型、电感型或电容型编码器。

优选地，被测编码器是增量式编码器或绝对式编码器。

优选地，被测编码器是绝对式编码器，输出形式为主动式输出或从动式输出。

优选地，数据采集卡包括基准编码器接口电路、被测编码器接口电路、微处理器和计算机通讯电路；所述微处理器一端设置两个接口，一接口连接所述基准编码器接口电路，再通过所述基准编码器输出线路连接所述基准编码器；另一接口连接所述被测编码器接口电路，再通过所述被测编码器线缆连接所述被测编码器；所述微处理器另一端通过所述计算机通讯电路连接所述计算机系统。

优选地，计算机通讯电路接收到所述计算机系统发的实时同步快速采集指令后，通过所述微处理器同时快速采集所述基准编码器和被测编码器的位置数据，并将所述的位置数据通过所述计算机通讯电路上传至所述计算机系统，用于误差计算。

本发明第二目的是提供一种编码器角度误差快速检测方法，采用角度编码器误差快速检测装置，包括如下步骤：

S1、通过计算机系统设置转台转速V、设定每圈检测点数N；

S2、所述的计算机系统向数据采集卡发送实时同步快速采集指令，数据采集卡处于准备捕获基准编码器和被测编码器角度值状态；

S3、所述计算机系统向转台驱动器发启动指令，所述转台驱动器控制精密转台以转速V匀速转动；

S4、数据采集卡实时采集基准编码器输出的方波信号角度值θ₁和被测编码器角度值θ₂，将θ₁和θ₂同时输出送给计算机系统；随着所述精密转台旋转一周，计算机系统将生成两个数据序列，序列一θ₁₁、θ₁₂、θ₁₃……θ_1N，序列二θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃……θ_2N；

S5，将这两个数据序列一一对应做差处理，生成数据序列Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃……Δθ_N，该误差序列就是被测编码器的误差分布。

优选地，基准编码器是增量式编码器。

优选地，被测编码器为增量式编码器、绝对式编码器主动式输出型或绝对式编码器从动式输出型。

优选地，被测编码器是绝对式编码器主动式输型时，数据采集卡以所述被测编码器作同步检测角度触发基准，记录基准编码器角度值，然后将被测编码器与基准编码器角度值做差计算。

优选地，被测编码器是增量式编码器或绝对式编码器从动式输出型时，数据采集卡以所述基准编码器作同步检测角度触发基准，记录被测编码器角度值，然后将基准编码器与被测编码器角度值做差计算。

发明详述：

本发明的精密转台转速V的设定进行分析：检测编码器角度误差时，精密转台的转速越高，误差测量时间越短，反之测量时间越长，

精密转台的转速大小受限于数据采集卡同步采集延迟误差及被测编码器对测量时延迟的误差要求。数据采集卡同步采集延迟误差指的是采集基准编码器的角度值时刻与采集被测编码器的角度值时刻的间隔时间，这个间隔时间对于不同类型的编码器是不同的；在进行误差测量时，一般要预估一下被测编码器的误差范围，根据这个误差范围推出被测编码器对测量时延迟的误差要求，一般得留出10~100倍的余量，比如被测编码器的误差范围是±10"，则被测编码器测量时延迟的误差可以控制在0.1"。

编码器分为绝对式编码器和增量式编码器，绝对式编码器的角度值输出方式是以二进制方式通过特定的协议输出角度值，这种通讯协议一般是串行通讯方式，所谓串行输出方式指的是角度值值通过一条物理连线（TTL）或两条物理连线（RS485）进行传输，输出帧格式是同步头 + m位二进制角度值 + 校验位，绝对式编码器的角度值输出时序见图1所示，对于绝对式编码器、且为从动式输出的情况，从动式输出编码器接受上位机发出的外部同步指令后，同步将启动编码器的信号捕获，捕获后的信息转换为角度值数据，然后按上述输出帧格式输出角度值给上位机，这里信号同步延迟时间是信号捕获时间；对于绝对式编码器、且为主动式输出的情况，主动式输出编码器这个时序输出也可以参考图1，只是主动式输出编码器不接受外部同步信号，而是编码器编自身定时启动捕获信号并解算角度值，并按上述输出帧格式输出角度值给上位机，这里主动式输出编码器的同步时刻是信号捕获时刻，对于光电型编码器，信号捕获时间一般不超过1µs。

所以对于有协议要求的绝对式编码器，其角度值输出都是有延时的，设角度值输出延时时间为T, 信号捕获时间为t₁, 角度值解算时间为t₂，输出帧位数为S，每位输出频率为f，则角度值输出延时时间：

   （1）

比如：信号捕获时间为t₁=1us，角度值解算时间为t₂=10 us，同步头是1位，m位19位，校验位是2位，则S=22位，设f=1MHz，则角度值输出延时时间T=33µs。

对于协议要求的绝对式编码器，为保证数据传输正确性，编码器定时输出间隔时间t₃≥2*T，当T=33µs时，t₃≥66µs。

对于增量式编码器，其角度值获得的过程是这样的：编码器实时转换捕获代表角度值的电信号，并通过电路转换，生成两路正交的方波信号形式输出给上位机，从信号捕获到方波信号输出，增量式编码器信号转换速度非常高，一般不超过0.1µs，两路方波是在旋转时产生，上位机响应方波的上升沿或下降沿变化，对每个沿变化，进行角度值的加一或减一计算，变化后的角度值代表增量编码器的角度值，以当前通用的MCU或FPGA的计算速度，增量式编码器从信号捕获到角度值实现一般在0.5µs可完成，由于增量式编码的实时性好，所以用增量式编码器作为精密转台的基准编码器是最佳选择。被测编码器可以是增量式编码器，也可以是绝对式编码器，绝对式编码器可以是主动式输出，也可以是从动式输出。

当被测编码器是绝对式编码器、且为主动式输出，基准编码器是增量式编码器时，角度误差同步基准是以被测编码器信号捕获时间为t₁下降沿为触发基准，同时捕获基准编码器角度值，设转台转一周（即编码器转一周），采集卡共采样N个采样点，作为误差比对样本，则角度采样间隔α约为α=360°/N，设被测编码器定时输出角度值间隔时间为t，每输出n个角度值点，开始记录被测编码器当前角度值θ2，这个θ2是误差测量的记录点，此时同时捕获记录基准编码器的当前角度值θ1，将二者同时输出送给计算机系统，随着所述精密转台的旋转（旋转一周），计算机系统将生成两个数据序列，序列一：θ₁₁、θ₁₂、θ₁₃……θ_1N；序列二：θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃……θ_2N；将这两个数据序列一一对应做差处理，生成数据序列：Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃……Δθ_N，该误差序列就是被测编码器的误差分布。

则α=360°/N=V*n*t，可推出：

V=360°/N/n/t                 （2）

在采集同步数据时，会产生同步延时误差，被测编码器的延迟误差为信号捕获时间为t₁（被测编码器可以是主动式输出，也可以是从动式输出），基准编码器是增量式编码器，其延迟时间为t₃，所以同步时间误差为，比如t₁=1µs，t₃=0.5µs，则t₄=0.5µs。

当被测编码器要求测量同步角度延迟误差小于0.1"时，则转台最高转速：V=0.1"/t₄=0.1"/0.5µs≈55.5°/s=9.25rpm，精密转台转一周编码器误差测量时间t₅：t₅=360°/ V =360°/(55.5°/s)=6.5s，可见该测量方案对于运动中测量编码器误差是非常高效的。

对于主动式输出被测编码器，为了较为准确地采集编码器旋转一周的N个同步采样点，有必要将转台转速V进行匹配，依据表达式（2）可推出：

 n=360°/N/V/t                 （3）

设N=8000，被测编码器定时输出角度值间隔时间t =1ms时，带入上述设定的参数，得：

n=360°/8000/(55.5°/s)/1ms≈0.8

因n的含义是“被测编码器（主动式输出编码器）每输出n个角度值点”，这n个点只能是整数，所以可以取n=1，再次带入表达式（2），则

V=360°/N/n/t=360°/8000/1/1ms=45°/s

当被测编码器是绝对式编码器、且为从动式输出，基准编码器是增量式编码器时，以基准编码器角度值输出作为同步基准，设转台转一周（即编码器转一周），采集卡共采样N个采样点，作为误差比对样本，则角度采样间隔α约为α=360°/N，当基准编码器角度值θ1是角度采样间隔α的整数倍时，记录角度值θ1，同时触发采集被测编码器，被测编码器按图1的时序进行角度值解算，获得被测编码器角度值θ2，记录角度值θ2，将二者同时输出送给计算机系统，随着所述精密转台的旋转（旋转一周），计算机系统将生成两个数据序列，序列一：θ₁₁，θ₁₂，θ₁₃，……θ_1N；序列二：θ₂₁，θ₂₂，θ₂₃，……θ_2N；将这两个数据序列一一对应做差处理，生成数据序列：Δθ₁，Δθ₂，Δθ₃，……Δθ_N，该误差序列就是被测编码器的误差分布。

对于被测编码器是从动输出型，基准编码器是增量式编码器在采集同步数据时，也会产生同步延时误差，这个延迟误差包括基准编码器（增量式编码器）计算延迟误差t₃，被测编码器信号捕获延迟误差t₁，所以同步延时误差，比如t₁=1µs，t₃=0.5µs，则t₄=1.5µs。

当被测编码器要求测量同步角度延迟误差小于0.1"时，则转台最高转速：V=0.1"/t₄=0.1"/1.5µs≈18.5°/s≈3rpm，精密转台转一周编码器误差测量时间t₅：t₅=360°/ V =360°/(18.5°/s) ≈20s，可见该测量方案对于运动中测量编码器误差是非常高效的。

当被测编码器是增量式编码器，基准编码器是增量式编码器时，同样以基准编码器角度值输出作为同步基准，设转台转一周（即编码器转一周），采集卡共采样N个采样点，作为误差比对样本，则角度采样间隔α约为α=360°/N，当基准编码器角度值θ1是角度采样间隔α的整数倍时，记录角度值θ1，同时触发采集被测编码器，获得被测编码器角度值θ2，记录角度值θ2，将二者同时输出送给计算机系统，随着所述精密转台的旋转（旋转一周），计算机系统将生成两个数据序列，序列一：θ₁₁，θ₁₂，θ₁₃，……θ_1N；序列二：θ₂₁，θ₂₂，θ₂₃，……θ_2N；将这两个数据序列一一对应做差处理，生成数据序列：Δθ₁，Δθ₂，Δθ₃，……Δθ_N，该误差序列就是被测编码器的误差分布。

对于被测编码器是增量式编码器，基准编码器是增量式编码器在采集同步数据时，也会产生同步延时误差，这个延迟误差包括基准编码器（增量式编码器）计算延迟误差t₃₁，被测编码器信号捕获延迟误差t₃₂，同步延时误差，比如t₁=0.5µs，t₂=0.4µs，则t₄=0.1µs，所以对于被测编码器是增量式编码器，基准编码器是增量式编码器，这个同步延时误差非常小，可以称作为严格同步。

当被测编码器要求测量同步角度延迟误差小于0.1"时，则转台最高转速：V=0.1"/t₄=0.1"/0.1µs≈277°/s≈46rpm，编码器误差测量时间t₅：t₅=360°/ V =360°/(277°/s) ≈1.5s，可见该测量方案对于运动中测量编码器误差是非常高效的。

本发明提供了一种角度编码器误差快速检测装置及方法。角度编码器误差快速检测装置，组成包括：精密转台；转台驱动器；被测编码器；数据采集卡；计算机系统；检测装置精密转台集成了转台电机，基准编码器和联轴基座，转台驱动器驱动精密转台实现闭环控制，转台在转动的同时，数据采集卡同步锁存基准编码器角度值和被测编码器角度值，以实现同步检测，将锁存的两种角度值传输到计算机系统进行误差处理，从而实现编码器角度值误差快速检测。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

（1）采用增量式编码器作为基准编码器，当被测编码器是绝对式编码器、且为从动式输出时，角度值采集同步方式是以基准编码器角度值为同步采样基准；当被测编码器是绝对式编码器、且为主动式输出时，角度值采集同步方式是以被测编码器信号捕获时刻为同步采样基准, 当被测编码器是增量式编码器时，角度值采集同步方式是以基准编码器角度值为同步采样基准；此三种方案都可以实现高速、高效获得被测编码器的误差数据。

（2）采样点多，能够全面反映编码器的误差细节；

（3）精密转台连续转动的同时采集数据，时间大大缩短。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的角度编码器误差快速检测装置的结构示意图。

图2是根据本发明实施例提供的数据采集卡的逻辑结构示意图。

图3是从动式输出编码器角度值解算及输出工作时序图。

附图标记：

1、精密转台，2、转台驱动器，3、被测编码器，4、数据采集卡，5、计算机系统，11、转台电机，12、基准编码器，13、联轴基座，111、电机电缆，121、基准编码器输出线路，31、测编码器线缆，41、基准编码器接口电路，42、被测编码器接口电路；43、微处理器；44、计算机通讯电路。

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。

图1示出了根据本发明实施例提供的角度编码器误差快速检测装置的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的角度编码器误差快速检测装置，包括精密转台1、转台驱动器2、被测编码器3、数据采集卡4、计算机系统5；

所述精密转台1包括转台电机11，基准编码器12，联轴基座13，所述联轴基座13、转台电机11和基准编码器12由上至下依次连接；

所述基准编码器12连接基准编码器输出线路121，所述基准编码器输出线路121分为两路输出，一路输出连接到数据采集卡4，作为所述数据采集卡4的第一路输入，另一路输出连接到转台驱动器2；

所述被测编码器3通过所述联轴基座13与所述精密转台1同轴连接；所述被测编码器3设有被测编码器线缆31；所述被测编码器线缆31的一端连接所述被测编码器3，另一端连接所述数据采集卡4，角度值信号通过被测编码器线缆31输出，同时作为所述数据采集卡4的第二路输入；

所述转台电机11设有电机电缆111，连接到转台驱动器2；

计算机系统5分别连接所述的转台驱动器2和所述的数据采集卡4；所述的计算机系统5通过所述转台驱动器2控制所述精密转台1的速度和位置，在所述精密转台1的转动下带动所述基准编码器12和所述被测编码器3同步转动，并通过所述数据采集卡4同步采集所述基准编码器12和所述被测编码器3的同步角度值数据，对两种同步角度值数据进行比较，从而得出所述被测编码器3的角度检测误差；

所述精密转台1通过基准编码器输出线路121及电机电缆111与转台驱动器2形成闭环控制系统，在计算机系统5的控制下，实现位置、速度的稳速控制。

图2示出了根据本发明实施例提供的数据采集卡的逻辑结构。

如图2所示，数据采集卡4包括：基准编码器接口电路41；被测编码器接口电路42；微处理器43；计算机通讯电路44；所述的微处理器43一端设置两个接口，一接口通过所述基准编码器接口电路41连接所述基准编码器12，另一接口通过所述被测编码器接口电路42连接所述被测编码器3；所述的微处理器43另一端通过所述计算机通讯电路44连接所述计算机系统5；

所述计算机通讯电路44接收到所述计算机系统5发的实时同步快速采集指令后，通过所述微处理器43同时快速采集所述基准编码器12和被测编码器3的位置数据，并将所述的位置数据通过所述计算机通讯电路44上传至所述计算机系统5，用于误差计算。

进一步的，所述基准编码器12为增量式编码器；所述被测编码器3可分为如下三种情况：1）被测编码器3也是增量式编码器时，二者角度值同步采集延迟误差为t₄；这个延迟误差t₄包括基准编码器（增量式编码器）计算延迟误差t₃₁，被测编码器信号捕获延迟误差t₃₂，同步延时误差，比如t₃₁=0.5µs，t₃₂=0.4µs，则t₄=0.1µs；

2）被测编码器3是绝对式编码器、且为主动式输出，数据采集卡4必须以被测编码器3做同步检测角度触发基准，记录基准编码器12角度值，然后二者做差计算；如果以基准编码器12作为同步基准，因被测编码器3以自身定时输出间隔时间t₃输出角度值，所以被测编码器3角度值输出可看作是异步输出，而且异步输出时间相对于基准编码器同步信号时间不固定，这样会增加检测误差；

3）被测编码器3是绝对式编码器、且为从动式输出，数据采集卡4以基准编码器12做同步检测角度触发基准，对于被测编码器3，收到触发指令后，如果被测编码器是光电型角度编码器，通常1µs内可完成角度值原始信息的捕获，所以同步时间误差也会小于1µs。

实施例1

参考图1、图2，角度编码器误差快速检测装置，包括精密转台1、转台驱动器2、被测编码器3、数据采集卡4、计算机系统5；连接方式如图所示；

所述基准编码器12选用增量式编码器，输出方式是差分输出的两路正交的方波信号，编码器分辨力是0.1"，每转一圈可输出12595200个脉冲；

所述被测编码器3是绝对式光电编码器、且为主动式输出，编码器输出位数26位，通讯协议是基于RS485接口的通讯协议；

所述数据采集卡4包括基准编码器接口电路41、被测编码器接口电路42、微处理器43、计算机通讯电路44，连接方式如图2；所述基准编码器接口电路41是差分转单端电路；被测编码器接口电路42是RS485接口电路；微处理器43选择FPGA实现；计算机通讯电路44是USB接口电路；数据采集卡4的数据采集方式是以被测编码器12信号捕获时刻且输出角度值为α=360°/N的整数倍，作为角度基准，同步采集基准编码器12的角度值。

设定每圈检测点数量N=8000，等效采样步距α=360°/N=162"，

设被测编码器的延迟误差为信号捕获时间为t₁=1µs，基准编码器延迟时间为t₃=0.5µs，则同步时间误差。

设被测编码器要求测量同步角度延迟误差<0.1"，则转台最高转速：V=0.1"/ t₄=0.1"/0.5µs≈55.5°/s=9.25rpm，编码器误差测量时间t₅：t₅=360°/ V =360°/(55.5°/s)=6.5s；

由于被测编码器是绝对式编码器、且为主动式输出，为了较为准确地采集编码器旋转一周的N个同步采样点，有必要将转台转速V进行匹配，依据表达式（2）可推出：

 n=360°/N/V/t

设被测编码器定时输出角度值间隔时间t =1ms时，带入上述设定的参数，得：

n=360°/8000/(55.5°/s)/1ms≈0.8

因n的含义是“被测编码器（主动式输出编码器）每输出n个角度值点”，这n个点只能是整数，所以可以取n=1，再次带入表达式（2），则

V=360°/N/n/t=360°/8000/1/1ms=45°/s

编码器角度误差快速检测方法，具体步骤如下：

（1） 计算机系统5设置转台转速V=45º/s、设定每圈检测点数N=8000；

（2）计算机系统5向数据采集卡4发送实时同步快速采集指令，数据采集卡4处于准备捕获基准编码器12和被测编码器3角度值状态；

（3）计算机系统5向转台驱动器2发启动指令，控制精密转台1以V=45º/s的转速匀速转动；

（4）精密转台1转动的同时，数据采集卡4实时响应被测编码器发出的捕获同步信号t₁，捕获到t₁同时，缓存记录基准编码器12的角度值θ₁，同时获得被测编码器角度值θ₂（由于被测编码器是以串行通讯协议方式输出角度值，θ₂的获得会比θ₁获得时间迟后），当满足θ₂是角度采样间隔α=360°/N的整数倍时，缓存记录角度值θ₂（当θ2不是角度采样间隔α=360°/N的整数倍时，角度值θ₁持续被刷新），并将基准角度值θ1和被测角度值θ2上传给计算机系统5；随着所述精密转台的旋转（旋转一周），计算机系统将生成两个数据序列，序列一：θ₁₁，θ₁₂，θ₁₃，……θ₁₈₀₀₀；序列二：θ₂₁，θ₂₂，θ₂₃，……θ₂₈₀₀₀；将这两个数据序列一一对应做差处理，生成数据序列：Δθ₁，Δθ₂，Δθ₃，……Δθ₈₀₀₀，该误差序列就是被测编码器的误差分布，误差检测完成。

实施例2

参考图1、图2，角度编码器误差快速检测装置，包括精密转台1、转台驱动器2、被测编码器3、数据采集卡4、计算机系统5；连接方式如图所示；

所述基准编码器12选用增量式编码器，输出方式是差分输出的两路正交的方波信号，编码器分辨力是0.1"，每转一圈可输出12595200个脉冲；

所述被测编码器3是从动式输出绝对式光电编码器，编码器输出位数26位，通讯协议是基于RS485接口的Biss-c通讯协议，编码器工作于从动模式；

所述数据采集卡4包括基准编码器接口电路41、被测编码器接口电路42、微处理器43、计算机通讯电路44，连接方式如图2；所述基准编码器接口电路41是差分转单端电路；被测编码器接口电路42是RS485接口电路；微处理器43选择FPGA实现；计算机通讯电路44是USB接口电路；数据采集卡4的数据采集方式是以基准编码器12输出为角度基准，同步采集被测编码器3的角度值。

设定每圈检测点数N=8000，等效采样步距是162"，即基准编码器12每增加1620个脉冲数，同步采集一次被测编码器3的角度值；此外，如果按基准编码器12输出间隔脉冲数的下限是100个脉冲计算，采样步距为10"，则每圈检测点数N=1296000；

设基准编码器（增量式编码器）同步延时误差t₃=0.5µs，被测编码器信号捕获延迟误差t₁=1µs，所以总同步延时误差。

设同步采样延时引起的误差允许值小于0.1"，则检测时转台允许转速V：V=0.1"/1.5 µs≈18°/s。

编码器角度误差快速检测方法，具体步骤如下：

（1）计算机系统5设置转台转速V=18º/s、设定每圈检测点数N=8000；

（2）计算机系统5向数据采集卡4发送实时同步快速采集指令，数据采集卡4处于准备捕获基准编码器12和被测编码器3角度值状态；

（3）计算机系统5向转台驱动器2发启动指令，控制精密转台1以V=18º/s的转速匀速转动；

（4）精密转台1转动的同时，数据采集卡4实时采集基准编码器12的脉冲数，并计算基准角度值θ₁，角度计数每计至162"的倍数时，数据采集卡4同时触发采集被测编码器，获得被测编码器角度值θ2，记录角度值θ2，并将基准角度值θ1和被测角度值θ2上传给计算机系统5；随着所述精密转台的旋转（旋转一周），计算机系统将生成两个数据序列，序列一：θ₁₁，θ₁₂，θ₁₃，……θ₁₈₀₀₀；序列二：θ₂₁，θ₂₂，θ₂₃，……θ₂₈₀₀₀；将这两个数据序列一一对应做差处理，生成数据序列：Δ_θ1，Δ_θ2，Δ_θ3，……Δ_θ8000，该误差序列就是被测编码器的误差分布，误差检测完成。

本发明的编码器角度误差快速检测装置及方法，所述的被测编码器适应于光电型、磁电型、电感型、电容型编码器，本发明构思也适用于直线编码器即线位移传感器。

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做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 (10)

1.角度编码器误差快速检测装置，其特征在于：包括精密转台（1）、转台驱动器（2）、被测编码器（3）、数据采集卡（4）、计算机系统（5）；

所述精密转台（1）包括转台电机（11）、基准编码器（12）、联轴基座（13），所述联轴基座（13）、转台电机（11）和基准编码器（12）由上至下依次连接；所述被测编码器（3）通过所述联轴基座（13）与所述精密转台（1）同轴连接；

所述基准编码器（12）连接基准编码器输出线路（121），所述基准编码器输出线路（121）分为两路输出，一路输出连接到数据采集卡（4），另一路输出连接到转台驱动器（2）；

所述被测编码器（3）设有被测编码器线缆（31），通过被测编码器线缆（31）与所述数据采集卡（4）连接；所述被测编码器（3）是绝对式编码器，输出形式为主动式输出或从动式输出；当被测编码器（3）是绝对式编码器、且为主动式输出，数据采集卡（4）以被测编码器（3）做同步检测角度触发基准；当被测编码器（3）是绝对式编码器、且为从动式输出，数据采集卡（4）以基准编码器（12）做同步检测角度触发基准；

所述计算机系统（5）分别连接所述的转台驱动器（2）和所述的数据采集卡（4）；所述计算机系统（5）通过所述转台驱动器（2）控制所述精密转台（1）的速度和位置，在所述精密转台（1）的转动下带动所述基准编码器（12）和所述被测编码器（3）同步转动，并通过所述数据采集卡（4）同步采集所述基准编码器（12）和所述被测编码器（3）的同步角度值数据。

2.根据权利要求1所述的角度编码器误差快速检测装置，其特征在于：所述基准编码器（12）是增量式编码器。

3.根据权利要求2所述的角度编码器误差快速检测装置，其特征在于：所述被测编码器（3）为光电型、磁电型、电感型或电容型编码器。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的角度编码器误差快速检测装置，其特征在于：所述数据采集卡（4）包括基准编码器接口电路（41）、被测编码器接口电路（42）、微处理器（43）和计算机通讯电路（44）；

所述微处理器（43）一端设置两个接口，一接口连接所述基准编码器接口电路（41），再通过所述基准编码器输出线路（121）连接所述基准编码器（12）；另一接口连接所述被测编码器接口电路（42），再通过所述被测编码器线缆（31）连接所述被测编码器（3）；所述微处理器（43）另一端通过所述计算机通讯电路（44）连接所述计算机系统（5）。

5.根据权利要求4所述的角度编码器误差快速检测装置，其特征在于：所述计算机通讯电路（44）接收到所述计算机系统（5）发的实时同步快速采集指令后，通过所述微处理器（43）同时快速采集所述基准编码器（12）和被测编码器（3）的位置数据，并将所述的位置数据通过所述计算机通讯电路（44）上传至所述计算机系统（5），用于误差计算。

6.编码器角度误差快速检测方法，采用权利要求1所述的角度编码器误差快速检测装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过计算机系统（5）设置转台转速V、设定每圈检测点数N；

S2、所述的计算机系统（5）向数据采集卡（4）发送实时同步快速采集指令，数据采集卡（4）处于准备捕获基准编码器（12）和被测编码器（3）角度值状态；

S3、所述计算机系统（5）向转台驱动器（2）发启动指令，所述转台驱动器（2）控制精密转台（1）以转速V匀速转动；

S4、数据采集卡（4）实时采集基准编码器（12）输出的方波信号角度值θ1和被测编码器（3）角度值θ2，将θ1和θ2同时输出送给计算机系统（5）；随着所述精密转台（1）旋转一周，计算机系统将生成两个数据序列，序列一θ11、θ12、θ13……θ1N，序列二θ21、θ22、θ23……θ2N；

S5，将这两个数据序列一一对应做差处理，生成数据序列Δθ1、Δθ2、Δθ3……ΔθN，该误差序列就是被测编码器的误差分布。

7.根据权利要求6所述的编码器角度误差快速检测方法，其特征在于：所述的基准编码器是增量式编码器。

8.根据权利要求7所述的编码器角度误差快速检测方法，其特征在于：所述的被测编码器（3）为增量式编码器、绝对式编码器主动式输出型或绝对式编码器从动式输出型。

9.根据权利要求8所述的编码器角度误差快速检测方法，其特征在于：所述的被测编码器（3）是绝对式编码器主动式输型时，所述的数据采集卡（4）以所述被测编码器（3）作同步检测角度触发基准，记录基准编码器（12）角度值，然后将被测编码器（3）与基准编码器（12）角度值做差计算。

10.根据权利要求8所述的编码器角度误差快速检测方法，其特征在于：所述的被测编码器（3）是增量式编码器或绝对式编码器从动式输出型时，所述数据采集卡（4）以所述基准编码器（12）作同步检测角度触发基准，记录被测编码器（3）角度值，然后将基准编码器（12）与被测编码器（3）角度值做差计算。

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