CN115979181A - 一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法及装置，利用多个均匀布置的读数头进行角度测量并采集测角数据和校准数据；利用运动控制系统完成棱体转动，对校准数据进行扩增；依据测角数据的谐波特性对校准数据进行数据整合，建立角编码器测角误差补偿模型；将整合完成的误差数据带入建立的角编码器测角误差补偿模型中进行测角误差补偿，实现基于多读数头布置下编码器测角误差补偿。本发明采用高精度的自准直仪对圆光栅编码器进行误差校准并获取相应的校准数据，通过数据整合算法完成误差数据的整合，最后利用误差数据建立的测角误差的补偿模型，实现了多个读数头布局下的测角误差的高精度补偿。

Description

一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法及装置

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法及装置。

背景技术

高精度角度计量器件被广泛应用于航空航天、军事工业、精密仪器、微电子等众多高技术领域。圆光栅角度编码器因结构简单、体积小、容易实现自动化和数字化等优点被广泛的应用。随着生产力水平的不断提升，各行各业对于圆光栅的测角精度也提出了更高精度的要求。圆光栅角编码器的测角误差主要包括安装误差、光栅制造误差、信号处理误差、环境人为因素影响引起的误差，对于上述误差来源，由于圆光栅的自封闭特性，使得上述大部分误差都呈现出周期性性质。依据这一性质，圆光栅叫编码器的谐波误差理论成为了描述圆光栅测角误差的主要手段，国内外也就这一性质开展了大量研究，提出了不同方案的圆光栅角编码器测角误差补偿方案。

目前，针对圆光栅测角精度的软硬件补偿技术，国内外开展了大量研究，提出了利用多个读数头布局的硬件补偿方案和构建误差补偿模型，利用补偿算法进行软件补偿的方案。其中利用硬件补偿方案常常会因为成本和读数头安装的限制，不能够无限制的增加，且由于读数头之间的安装偏差，相应阶次的谐波误差也不能够完全被消除。而利用软件补偿，通过拟合误差曲线特征，进行误差的在线补偿，解决了硬件补偿上的限制问题，能够进一步消除装置的残余误差，进一步提升角编码器的测角精度。但仅用软件补偿办法来对单读数头角编码器测角装置进行补偿往往会因环境等因素影响导致精度不足。并且，在对测角误差进行软件补偿时，需要更高精度的测角基准作为校准值，目前常用的办法由跟高精度的光栅角编码器或光电自准直仪。但目前高精度光栅角编码器的精度水平大都在±1″，精度更高的光栅大都对我国禁运，不能满足作为亚角秒级叫编码器校准装置基准的要求，而多面棱体和光电自准直仪组成的校准装置的测角精度已经达到了±0.1″的水平，对于研究圆光栅角编码器的测角误差是足够的。但是，受限于多面棱体面数的限制，利用该校准装置往往仅能获得数量有限的离散数据，这会导致无法将误差曲线的全部特征表现出来，尤其是在高阶谐波误差对测角误差的影响占比较大的时候。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法及装置，用于解决利用多读数头布局硬件补偿方式进行高精度测角中，由于安装误差、环境因素影响而导致存在的残余误差无法进一步消除的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法，包括以下步骤：

S1、利用多个均匀布置的读数头进行角度测量并采集测角数据和校准数据；

S2、利用运动控制系统完成棱体转动，对步骤S1得到的校准数据进行扩增；

S3、依据测角数据的谐波特性对步骤S2得到的校准数据进行数据整合，建立角编码器测角误差补偿模型；

S4、将步骤S3整合完成的误差数据带入步骤S3建立的角编码器测角误差补偿模型中进行测角误差补偿，实现基于多读数头布置下编码器测角误差补偿。

具体的，步骤S1中，多个读数头均匀布置在编码器的圆周上，多面棱体和编码器光栅码盘与轴系同轴安装并在气浮轴系上做间隔转动，控制多面棱体偏心在2μm内，编码器测角数据由多个均布布局的读数头进行合成输出，校准数据通过自准直仪和多面棱体组成的校准装置读数输出。

具体的，步骤S2中，在完成一组校准后，控制电机转动

并锁紧电机，重新调整多面棱体，将多面棱体转动至1/3个转动间隔处，使多面棱体对准光电自准直仪，完成转动后对多面棱体偏心进行调整，控制多面棱体偏心之在2μm内，重新对准自准直仪器计算棱体转动角度值，角度值由高精度光栅读取，再次执行转动校准步骤，完成多组误差数据的获取和计算。

具体的，步骤S3中，数据整合具体为：

对转动多面棱体前后的多组数据进行平均处理，得到每一次转动多面棱体后的校准数据均值，利用傅里叶变换来提取每组数据的0阶谐波误差的幅值和相位；通过消除0阶谐波误差将多组测角误差数据合并到同一坐标系下完成误差数据的处理和整合。

进一步的，在每次转动多面棱体时，重新对多面棱体的径向跳动进行调整，在进行校准时，保证自准直仪水平轴示值控制在±10″的范围内。

进一步的，数据整合后绝对坐标系下角编码器的相对测角误差δ(θ+θ₀)为：

δ(θ+θ₀)＝δ(θ，θ₀)+ε₀-A(0)cos(ψ)

其中，A(0)编码器测角误差谐波分量中直流分量幅值大小，ψ为直流分量的相位大小，δ(θ，θ₀)为某一坐标系下角编码器在以θ₀为起点时进行测量的相对测角误差，ε₀为测角误差中的随机误差。

具体的，步骤S3中，角编码器测角误差补偿模型采用测角误差直线插补补偿模型，具体如下：

其中，δ(θ)为数据整合完成的坐标系下在θ位置处的角位置，N为数据整合完成后的数据点序号，θ_N为第N个数据点的角位置。

具体的，步骤S3中，角编码器测角误差补偿模型采用测角误差谐波误差补偿模型，具体如下：

其中，θ为数据整合完成的坐标系下的角位置，k为测角误差的谐波阶次，

为各阶谐波误差的相位角，a_k为各阶谐波误差的幅值。

具体的，步骤S4中，将整合后的误差补偿数据带入角编码器测角误差补偿模型中，根据带入误差数据对误差曲线进行拟合，得到相应的转角-相对误差关系，通过将多个读数头测得的相应转角进行输入，得到转角位置附近的误差值，对误差值进行补偿，修正得到圆光栅测角值。

第二方面，本发明实施例提供了一种编码器标定数据扩增和误差补偿装置，包括：

数据模块，利用多个均匀布置的读数头进行角度测量并采集测角数据和校准数据；

扩增模块，利用运动控制系统完成棱体转动，对数据模块得到的校准数据进行扩增；

整合模块，依据测角数据的谐波特性对扩增模块得到的校准数据进行数据整合，建立角编码器测角误差补偿模型；

补偿模块，将整合模块整合完成的误差数据带入整合模块建立的角编码器测角误差补偿模型中进行测角误差补偿，实现基于多读数头布置下编码器测角误差补偿。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法，通过在圆周上均布多个读数头，利用多个读数头之间的耦合作用，用以减弱光栅盘的安装误差引起测角误差、光栅制造误差引起的测角误差、信号处理引起的测角误差等周期性误差组成成分，实现了圆光栅角编码器的高精度测角。利用光电自准直仪和多面棱体，配合高精度光栅和伺服电机组成的运动控制系统，实现了圆光栅角编码器的测角误差的自动校准，同时，利用高精度光栅，完成了多面棱体转动位置的精准测量，为校准数据的扩增提供了相位关系，并通过转动多面棱体，实现两棱体面夹角的细分。

进一步的，利用多个均布布局的读数头来减弱光栅盘的安装误差引起测角误差、光栅制造误差引起的测角误差、信号处理引起的测角误差等周期性误差组成成分，消除了测角误差中的绝大多数误差，实现了圆光栅角编码器的高精度测角。将多面棱体偏心值控制在2μm的范围，保证了多面棱体和轴系的良好同心，减小转动过程中因不同心而导致的校准系统精度下降，将校准系统的精度进一步稳定在±0.1″内；同时，控制几次棱体安装条件一致，以保证测量和数据整合过程中的单一变量。

进一步的，为了获多的校准数据来还原测角误差，利用分组校准的方式，对由于气浮轴本身的特性，在调整多面棱体过程中回导致轴系的晃动，进而影响后续的测试结果，因此，利用电机将轴系锁死，能够在转动和调整多面棱体的过程中保持轴系不动，保证了再调整棱体时轴系处于静止状态；同时，通过电机的高精定位，即可实现在两个相邻棱体面

的夹角中进行1/3细分。

进一步的，为进一步消除测角数据中的随机误差，采用多次测量取均值的放式来进行，进一步降低了测角数据中的随机误差。由于圆光栅测角误差的谐波特性，其测角误差在整周上表现为不同周期和相位的谐波叠加的结果，其中0阶谐波中包含了相对测角中起点的误差信息。通过对测角数据进行傅里叶变换，能够提取出测角数据的谐波信息，进而根据测角数据的谐波信息对测角数据进行整合，最终使得原本仅有N个数据点的测角数据经扩增后获得了3N个数据点的测角数据，使得测角误差曲线的展现更加详细，误差特征更为准确，为测角数据的误差预测和高精度补偿提供了前提。

进一步的，利用多面棱体和光电自准直仪对角编码器的测角误差进行校准，利用电机微调控制校准过程中光电子准直仪X轴示值范围在±10″内，能够将测角误差的校准精度保证在±0.1″内；同时，保证多组校准数据同一采样点在小范围内波动，这种小范围波动引起的测角误差变化可以忽略，进一步保证校准数据的一致性。。

进一步的，由于增量式编码器相对测量的特性，当选取圆周内任意一点作为测角误差的起点时，由于该点在误差还原的固定坐标系下本身就存在测角误差，这就使得以该点为测试起点得到的测角数据中，存在一个直流分量，该分量的大小就是该点在固定坐标系下的测角误差值，而这种直流分量，会严重影响测角误差的补偿，使得测角数据发生偏移，通过对直流分量的去除，便可以得到无偏的误差补偿模型，提高测角精度。

进一步的，在经过硬件补偿后的测角误差中，高阶次的谐波误差占比明显增大，对于更高阶次的谐波误差中，虽然数据点经过了细分，但利用有限的数据点个数仍无法将更高阶次的谐波误差尽数提取，因此，利用直线插补的一个均化作用，可以尽可能地将没能提取的高阶谐波误差的影响进行减弱，进而提升了测角误差的补偿精度。

进一步的，随着测角数据细分倍数的增加，通过对测角数据的傅里叶变换，可以提取到更多阶次的谐波组分，而100阶以上的谐波组分对测角误差的影响占比很小，可以忽略，此时，利用谐波误差补偿来还原测角误差数据更加贴合圆光栅角编码器本身误差特性，补偿效果更好。

进一步的，通过多读数头均布方案来获取轴系转的相对转角，进而代入误差补偿模型中，实现更高精度的角度测量。

可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

综上所述，本发明采用高精度的自准直仪对圆光栅编码器进行误差校准并获取相应的校准数据，通过数据整合算法完成误差数据的整合，最后利用误差数据建立的测角误差的补偿模型，实现了多个读数头布局下的测角误差的高精度补偿。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为校准补偿装置结构简图；

图2为数据扩增起点分布位置图；

图3为读数头均布安装分布图；

图4为数据扩增下多读数头布局误差曲线对比图，其中，(a)为单个读数头测角误差曲线，(b)为八个读数头角度测量误差图；

图5为多读数头布局下测角误差曲线图，其中，(a)为四个读数头均布布局下的测角误差曲线，(b)为八个读数头均布布局下的测角误差曲线；

图6为单组校准数据直线插值补偿后测角误差曲线图，其中，(a)为四个读数头均布布局下的测角误差补偿，(b)为八个读数头均布布局下的测角误差补偿；

图7为进行数据扩增直线插值补偿后测角误差曲线图，其中，(a)为四个读数头均布布局下的测角误差补偿，(b)为八个读数头均布布局下的测角误差补偿；

图8为进行数据扩增谐波误差补偿后测角误差曲线图，其中，(a)为四读数头补偿，(b)为八读数头补偿。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法，基于圆光栅测角误差得谐波性质，对多读数头的测角信息进行合成校准，并对数据进行扩增合成，最终得到了更多的测角误差数据。利用扩增的校准数据，结合多读数头布局下圆光栅测角误差的周期性和谐波性质，建立圆光栅测角误差的直线插补模型和谐波误差补偿模型，实现了对测角装置残余装置误差的进一步补偿。

请参阅图1，本发明一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法，包括以下步骤：

S1、多个读数头均匀布置在圆光栅圆周上，N面多面棱体和光栅码盘与轴系同轴安装并在气浮轴系上做间隔转动，并控制多面棱体偏心之在2μm内，编码器测角数据由多个均布布局的读数头进行合成输出，校准数据通过自准直仪和多面棱体组成的校准装置读数输出，完成角度的测量和数据的校准；

通过在圆周上均布多个读数头进行转角数据的同步采集，可以得到在同一时刻不同相位上的测角信息，通过对多个读数头测角信息进行求均值，可以消除码盘在回转过程中产生的部分周期性误差，同时对随机误差也产生了一定的抑制作用，进而提升了轴系测角精度，消除了大部分的装置误差，使得角编码器的测角重复性进一步降低，为测角误差的软件补偿提供了更准确地角位置信息。

请参阅图3，利用多个读数头均布的方案进行角度测量，消除由于安装误差等因素在测角中的影响。利用多面棱体和自准直仪作为校准系统，能够实现在正对棱体面±100″的范围中实现测角误差的±0.1″的高精度校准。通过利用24面棱的24个面进行依次校准，每组测试都可以得到24个测角误差的校准值。

S2、在完成一组校准后，控制电机转动

并锁紧电机，重新调整多面棱体，将多面棱体转动至1/3个转动间隔处，使得多面棱体再次对准光电自准直仪，完成转动后对多面棱体偏心进行调整，控制多面棱体偏心之在2μm内，并重新对准自准直仪器计算棱体转动角度值，具体角度值由测试装置中的高精度光栅进行读取，再次执行步骤转动校准步骤，进行更多组的误差数据的获取和计算；

利用多面棱体和光电自准直仪对角编码器的测角误差进行校准，利用电机微调控制校准过程中光电子准直仪X轴示值范围在±10″内，且在视野范围内Y轴示值在±10″，保证多组校准数据同一采样点在小范围内波动，保证校准数据中采样点坐标的一致性。

对多面棱体进行旋转，利用电机的自锁功能锁紧轴系，转动多面棱体，并调整多面棱体随轴系旋转时的径向跳动，同时利用高精度光栅记录多面棱体转动调整前后的读数差，进而计算出多面棱体转角的精确值。

通过电机的精准定位运动，实现在校准时多面棱体相邻两个面之间的角度范围中进行细分，来获取全圆范围内不同角位置的更多组的校准数据。

校准过程为相对测角误差，对于不同组的校准数据，因起点的不同使得每组校准数据的都在不同的坐标系下，为了对三组校准数据进行整合，需要依据测角误差的谐波性质进行坐标系的统一化处理。

S3、结合圆光栅角编码器测角误差的谐波特性，对多组测角误差校准结果进行整合，进而将多组不同起点的相对误差校准数据整合到同一起点处，得到在该起点下的更加准确的圆光栅编码器的测角误差补偿数据，建立准确的角编码器测角误差补偿模型；

圆光栅角编码器的测角误差δ(θ)看作由不同阶次的谐波误差共同组成，由于在光栅安装过程中安装误差产生的方向、光栅的起点不会完全相同，而增量式光栅角编码器为相对测量，相位的大小便直接影响了测角误差曲线的分布情况，建立圆光栅角编码器的测角误差的谐波误差关系δ(θ,θ₀)，是校准数据的整合和测角误差补偿的前提。

多组校准数据的整合原理为：

δ(θ+θ₀)＝δ(θ，θ₀)+ε₀-A(0)cos(ψ)

其中，A(0)编码器测角误差谐波分量中直流分量幅值大小，ψ为直流分量的相位大小，δ(θ，θ₀)为某一坐标系下角编码器在以θ₀为起点时进行测量的相对测角误差，ε₀为测角误差中的随机误差，δ(θ+θ₀)为设定绝对坐标系下角编码器的相对测角误差。

对校准数据进行处理、整合具体为：

对转动多面棱体前后的多组数据进行平均处理，得到每一次转动多面棱体后的校准数据均值，利用傅里叶变换来提取每组数据的0阶谐波误差的幅值和相位。通过消除0阶谐波误差将多组测角误差数据合并到同一坐标系下完成误差数据的处理和整合。

在每次转动多面棱体时，需重新对多面棱体的径向跳动进行调整，在进行校准时，应保证自准直仪水平轴示值控制在±10″的范围内，进而使每次取点均在小范围之内波动。

建立的误差补偿直线插补模型、谐波误差补偿模型具体为：

依据处理整合后的测角误差数据，利用线性插值和谐波拟合算法完成测角误差曲线的拟合，为保谐波信息提取的准确性，在进行谐波信息提取时，首先利用线性插值方式将采样点进行等分插值，然后将插值误差结果进行傅里叶变换，进而得到测角误差的谐波信息。

测角误差直线插补补偿模型：

其中，δ(θ,θ₀)为θ点在θ₀点处的相对误差值，δ(θ)为数据整合完成的坐标系下在θ位置处的角位置，N为数据整合完成后的数据点序号。

测角误差谐波误差补偿模型：

其中，δ(θ,θ₀)为θ点在θ₀点处的相对误差值，θ为数据整合完成的坐标系下的角位置，k为测角误差的谐波阶次，

为各阶谐波误差的相位角，a_k为各阶谐波误差的幅值。

S4、将整合后的误差补偿数据带入角编码器测角误差补偿模型中，根据带入误差数据对误差曲线进行拟合，得到相应的转角-相对误差关系，通过将八个读数头测得的相应转角进行输入，从而得到转角位置附近的误差值，通过对该误差值进行补偿，来修正多读数头布局得圆光栅测角值。

请参阅图5，进行测角误差在线补偿输出，利用多个均布读数头测量的转角信息，结合测角误差补偿模型，将轴系回转运动过程中的转角信息和初始相位角信息带入到补偿模型中，通过对测角信息的修正，完成最终的高精度测角输出。

本发明再一个实施例中，提供一种编码器标定数据扩增和误差补偿装置，该装置能够用于实现上述编码器标定数据扩增和误差补偿方法，具体的，该编码器标定数据扩增和误差补偿装置包括数据模块、扩增模块、整合模块以及补偿模块。

其中，数据模块，利用多个均匀布置的读数头进行角度测量并采集测角数据和校准数据；

扩增模块，利用运动控制系统完成棱体转动，对数据模块得到的校准数据进行扩增；

整合模块，依据测角数据的谐波特性对扩增模块得到的校准数据进行数据整合，建立角编码器测角误差补偿模型；

补偿模块，将整合模块整合完成的误差数据带入整合模块建立的角编码器测角误差补偿模型中进行测角误差补偿，实现基于多读数头布置下编码器测角误差补偿。

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于编码器标定数据扩增和误差补偿方法的操作，包括：

利用多个均匀布置的读数头进行角度测量并采集测角数据和校准数据；利用运动控制系统完成棱体转动，对校准数据进行扩增；依据测角数据的谐波特性对校准数据进行数据整合，建立角编码器测角误差补偿模型；将整合完成的误差数据带入建立的角编码器测角误差补偿模型中进行测角误差补偿，实现基于多读数头布置下编码器测角误差补偿。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作装置。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(Non-Volatile Memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关编码器标定数据扩增和误差补偿方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：

利用多个均匀布置的读数头进行角度测量并采集测角数据和校准数据；利用运动控制系统完成棱体转动，对校准数据进行扩增；依据测角数据的谐波特性对校准数据进行数据整合，建立角编码器测角误差补偿模型；将整合完成的误差数据带入建立的角编码器测角误差补偿模型中进行测角误差补偿，实现基于多读数头布置下编码器测角误差补偿。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

(1)将八个读数头均匀布局再码盘圆周上，通过八个读数头采集的光栅信号进行平均合成，来获得轴系转动角度测量值，同时，将多面棱体安装于轴系上，利用光电子准直仪对转角进行校准，得到圆光栅角编码器的测误差；

单个读数头下圆光栅角编码器的测角误差δ谐波表达式为：

其中，k为组成圆光栅编码器的谐波误差的阶次，n为布置读数头的个数n＝1，2，3...，a_k为第k阶谐波成分的幅值，θ为角编码器跟随轴系转过的角度，

为各阶谐波成分的初始相位。

通过八个读数头对光栅信号的采集，基于圆光栅测角误差的谐波特性，当当在圆周上均布n个读数头时，通过对n个读数头读测量值的平均合成，得到的理论测角误差为：

其中，ε(θ)为经过n个读数头合成的信号的测角误差，n为读数头的均布个数，ω_k为各阶谐波误差的幅值大小，k为各阶谐波误差的阶次，θ轴系转动的角位置。

对于某一阶次的谐波k而言，由多个读数头在k次谐波下的合成误差为：

通过对上述公式三角变化将上式化简为：

当有八个读数头在圆光栅的圆周上均布时，使用多个读数头测试结果的均值算得的角度，能够很好的消除测角误差中的k′≠8n次的谐波误差，而仅有误差中k′＝8n阶的谐波误差不能够被消除。通过这种多读数头的布局方式，一方面，减小了单个读数头中随机误差的影响；另一方面，光栅码盘的安装误差、细分误差、制造误差等均属于角编码测角误差的周期性误差，因此，利用该方式能够在一定程度上对这些周期成分进行消除，从而提升测角精度。

(2)采集八个读数头的合成数据，依据读数头合成数据计算轴系相对转角值，利用多面棱体和自准直仪的校准值，计算圆光栅角编码器的测角误差；

由于多读数头对测角误差谐波组分的抑制作用，使得测角误差中的低阶谐波成分得到了很好的抑制，测角误差的高阶谐波成分对测角误差的影响占比更大，这导致利用24个校准点无法表征出误差曲线的完全特征，需要对校准数据进行扩增。

请参阅图2，在多面棱体相邻的两个平面之间，额外加入两个起点，通过转动多面棱体的方式来对准起点并分别进行相应的误差校准。为保证实验环境和条件的一致性，利用电机控制轴系做点位运动，同时控制多面棱体随轴系转动的径向跳动值在2μm。

(3)对上述获得的不同起点的误差校准点进行合并，将其整合到同一坐标系下，各个校准点的测角误差均是相对于该坐标系零点位置处产生的误差，进而将三组误差值整合在一条误差曲线上。

设被整合到的某一固定坐标系下的测角误差δ(θ)为：

其中，ε₀为在该坐标系下的测角误差的直流分量部分，k为组成测角误差的各阶谐波误差的阶次，a_k为各阶谐波组分的幅值，

为各阶谐波组分的相位，n为均布读数头的个数，θ为坐标系下的角位置，即x坐标。

在此坐标系下进行以θ₀起点为的测量时，有测角误差δ(θ，θ₀)：

δ(θ，θ₀)＝δ(θ+θ₀)-δ(θ₀)  (5)

对(6)式进行傅里叶变换，由于θ₀为固定值，进而求出各阶谐波分量的幅值为：

根据等式：

δ(θ)＝δ(θ+θ₀，θ₀)+δ(θ₀)  (8)

可以得到整合后的测角误差与未整合之前的测角误差之间的关系为：

δ(θ+θ₀)＝δ(θ，θ₀)+ε₀-A(0)cos(ψ)  (9)

请参阅图4(a)(b)，通过对测角误差数据的整合，可以明显看出，在四读数头和八读数头均布的方式下，整合后的误差曲线展现出了更多的特征，且随着读数头个数的增加，低阶谐波成分得到了很大的抑制，利用数据整合的方式显示出的特征也越来越多，对测角误差曲线的描述相比单组校准数据要精确。

(4)在获得的整合结果的基础上，以该整合后的测角误差数据建立误差补偿模型。

建立的误差补偿直线插补模型、谐波误差补偿模型：

测角误差直线插补补偿模型：

其中，δ(θ,θ₀)为θ点在θ₀点处的相对误差值，δ(θ)为数据整合完成的坐标系下在θ位置处的角位置，N为数据整合完成后的数据点序号。

测角误差谐波误差补偿模型：

其中，δ(θ,θ₀)为θ点在θ₀点处的相对误差值，θ为数据整合完成的坐标系下的角位置，k为测角误差的谐波阶次，

为各阶谐波误差的相位角，a_k为各阶谐波误差的幅值。

建立测角误差的谐波补偿模型，首先需要对测角误差进行傅里叶变换，提取其各阶谐波幅值、相位大小。因此，要保证每个校准点数据的等间隔性，而多面棱体在调整偏心后，往往角度还会在附近偏移，这时需利用补偿装置中高精度光栅来对起点位置值进行修正。同时，采用线性插值的方式，将校准点的x坐标值设置成等间隔，并求取相应的y值作为校准数据带入。

通过测角误差的线性插值补偿模型和谐波补偿模型对圆光栅角编码器进行补偿，依据轴系转过的相对转角作为x值，带入到误差补偿模型中，并对测得的轴系相对转角做出修正，进而输出补偿后的测角值。

请参阅图6、图7和图8，在实验验证上，将八个读数头均布安装于雷尼绍RCDM系列玻璃圆光栅(标称刻画精度为±2.78″)的圆周上，将轴系接入电机并通过高精度的海德汉RON886作为反馈来进行运动控制，使得定位精度能够达到±1″。利用奥特梅尔光电自准直仪进行校准，在±100″范围内的测角精度可以达到0.1″。

结合实验结果来看，数据未扩增补偿得圆光栅编码器的测角的误差PV值为2.37″，通过数据未扩增直线插补补偿得圆光栅编码器的测角的误差为0.89″，通过采用这种数据扩增和整合方式，利用直线插补使得误差补偿效果显著增加，将四读数头布局编码器测角误差PV值补偿到了0.67″，提升了1.7″；将八读数头布局编码器测角误差PV值补偿到了0.52″，提升了0.37″，在谐波误差补偿算法下，将四读数头布局编码器测角误差PV值补偿到了1.08″，提升了1.29″；将八读数头布局编码器测角误差PV值补偿到了0.67″，提升了0.22″。综上所述可以得出，基于测角误差的谐波特性，利用光电自准直仪和多面棱体完成误差校准，并通过对多面棱体旋转的方式对校准间隔进行细分，从而在码盘整周内得到了更多的误差数据，结合圆光栅角编码器的测角误差特性，对多组校准数据进行整合，利用整合完成的数据，通过线性插值补偿和谐波误差补偿的方式，实现了多读数头布局下圆光栅角编码器测角误差的高精度补偿。

综上所述，本发明一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法及装置，利用测角误差的谐波特性来提升多读数头均布布局圆光栅测角精度，并建立多读数头布局下的圆光栅校准数据整合方法和补偿办法。采用高精度的自准直仪对圆光栅编码器进行误差校准并获取相应的校准数据，通过数据整合算法完成误差数据的整合，最后利用误差数据建立的测角误差的补偿模型，利用误差补偿的方式，使得数据未扩增补偿得圆光栅编码器的测角的误差PV值为2.37″，通过数据未扩增直线插补补偿得圆光栅编码器的测角的误差为0.89″，通过采用这种数据扩增和整合方式，利用直线插补使得误差补偿效果显著增加，将四读数头布局编码器测角误差PV值补偿到了0.67″，提升了1.7″；将八读数头布局编码器测角误差PV值补偿到了0.52″，提升了0.37″，在谐波误差补偿算法下，将四读数头布局编码器测角误差PV值补偿到了1.08″，提升了1.29″；将八读数头布局编码器测角误差PV值补偿到了0.67″，提升了0.22″。综上所述，基于测角误差的谐波特性，采用基于谐波分析的编码器标定数据扩增和误差补偿办法，利用光电自准直仪和多面棱体完成误差校准，并通过对多面棱体旋转的方式对校准间隔进行细分，从而在码盘整周内得到了更多的误差数据，结合圆光栅角编码器的测角误差特性，对多组校准数据进行整合，利用整合完成的数据，通过线性插值补偿和谐波误差补偿的方式，能够实现多读数头布局下圆光栅角编码器测角误差的高精度补偿，对进一步提升圆光栅角编码器的测角系统的测角精度具有重要意义。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述装置中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等，需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(装置)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用多个均匀布置的读数头进行角度测量并采集测角数据和校准数据；

S2、利用运动控制系统完成棱体转动，对步骤S1得到的校准数据进行扩增；

S3、依据测角数据的谐波特性对步骤S2得到的校准数据进行数据整合，建立角编码器测角误差补偿模型；

S4、将步骤S3整合完成的误差数据带入步骤S3建立的角编码器测角误差补偿模型中进行测角误差补偿，实现基于多读数头布置下编码器测角误差补偿。

2.根据权利要求1所述的编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，步骤S1中，多个读数头均匀布置在编码器的圆周上，多面棱体和编码器光栅码盘与轴系同轴安装并在气浮轴系上做间隔转动，控制多面棱体偏心在2μm内，编码器测角数据由多个均布布局的读数头进行合成输出，校准数据通过自准直仪和多面棱体组成的校准装置读数输出。

3.根据权利要求1所述的编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，步骤S2中，在完成一组校准后，控制电机转动

并锁紧电机，重新调整多面棱体，将多面棱体转动至1/3个转动间隔处，使多面棱体对准光电自准直仪，完成转动后对多面棱体偏心进行调整，控制多面棱体偏心之在2μm内，重新对准自准直仪器计算棱体转动角度值，角度值由高精度光栅读取，再次执行转动校准步骤，完成多组误差数据的获取和计算。

4.根据权利要求1所述的编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，步骤S3中，数据整合具体为：

对转动多面棱体前后的多组数据进行平均处理，得到每一次转动多面棱体后的校准数据均值，利用傅里叶变换来提取每组数据的0阶谐波误差的幅值和相位；通过消除0阶谐波误差将多组测角误差数据合并到同一坐标系下完成误差数据的处理和整合。

5.根据权利要求4所述的编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，在每次转动多面棱体时，重新对多面棱体的径向跳动进行调整，在进行校准时，保证自准直仪水平轴示值控制在±10″的范围内。

6.根据权利要求4所述的编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，数据整合后绝对坐标系下角编码器的相对测角误差δ(θ+θ₀)为：

δ(θ+θ₀)＝δ(θ，θ₀)+ε₀-A(0)cos(ψ)

其中，A(0)编码器测角误差谐波分量中直流分量幅值大小，ψ为直流分量的相位大小，δ(θ，θ₀)为某一坐标系下角编码器在以θ₀为起点时进行测量的相对测角误差，ε₀为测角误差中的随机误差。

7.根据权利要求1所述的编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，步骤S3中，角编码器测角误差补偿模型采用测角误差直线插补补偿模型，具体如下：

其中，δ(θ)为数据整合完成的坐标系下在θ位置处的角位置，N为数据整合完成后的数据点序号，θ_N为第N个数据点的角位置。

8.根据权利要求1所述的编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，步骤S3中，角编码器测角误差补偿模型采用测角误差谐波误差补偿模型，具体如下：

其中，θ为数据整合完成的坐标系下的角位置，k为测角误差的谐波阶次，

为各阶谐波误差的相位角，a_k为各阶谐波误差的幅值。

9.根据权利要求1所述的编码器标定数据扩增和误差补偿方法，其特征在于，步骤S4中，将整合后的误差补偿数据带入角编码器测角误差补偿模型中，根据带入误差数据对误差曲线进行拟合，得到相应的转角-相对误差关系，通过将多个读数头测得的相应转角进行输入，得到转角位置附近的误差值，对误差值进行补偿，修正得到圆光栅测角值。

10.一种编码器标定数据扩增和误差补偿装置，其特征在于，包括：

数据模块，利用多个均匀布置的读数头进行角度测量并采集测角数据和校准数据；

扩增模块，利用运动控制系统完成棱体转动，对数据模块得到的校准数据进行扩增；

整合模块，依据测角数据的谐波特性对扩增模块得到的校准数据进行数据整合，建立角编码器测角误差补偿模型；

补偿模块，将整合模块整合完成的误差数据带入整合模块建立的角编码器测角误差补偿模型中进行测角误差补偿，实现基于多读数头布置下编码器测角误差补偿。

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