CN117782187A - 一种编码器的非线性误差修正方法及编码器 - Google Patents

一种编码器的非线性误差修正方法及编码器 Download PDF

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Abstract

本申请涉及编码器领域,特别是涉及编码器的非线性误差修正方法及编码器,该方法包括:设置第一修调参考表和第二修调参考表,当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V,根据预设更新方法更新第一修调参考表或第二修调参考表;获取转轴当前的输入角度值ANGin并获得第一目标修调值C1和第二目标修调值C2;计算获得综合修调值C;计算获得输出角度值ANGout。本申请采用两个修调参考表分别记录不同速度下的目标修调值,并且进行两级修调计算获得综合修调值C,在编码器高速旋转时也能具有较高的精确度和可靠性。

Description

一种编码器的非线性误差修正方法及编码器
技术领域
本申请涉及编码器领域,特别是涉及一种编码器的非线性误差修正方法及编码器。
背景技术
在实际应用中,编码器常常会受到多种因素的影响,导致其输出值与实际物理量之间存在非线性误差。这些因素可能包括传感器的固有特性、环境条件以及制造过程中的偏差等。为了提高编码器的测量准确性,需要对这些非线性误差进行校正。编码器的非线性误差修正通常使用查表方法来实现。这种方法利用预先获得的校正数据,通过查表将测量值进行修正,以提高测量的准确性。在相关技术中,编码器非线性误差修正查表方法包括以下流程。
首先进行数据采集:在实验室或者实际应用中,以一系列已知输入量(如旋转角度)为基础,记录编码器的输出值。这些数据作为校正数据,其中包括了这些已知输入量和编码器输出值之间的对应关系。
接下来,使用这些校正数据来建立一个校正表:校正表是一个数据表格,其中包括输入量与修正系数之间的对应关系。修正系数一般根据校正数据计算得出的,用于校正编码器输出的非线性误差,在校正表中,不同的输入量对应着不同的修正系数。
当编码器在实际运行时测量到一个输入量的值时,首先会将这个值对应到校正表中,根据输入量的值,查表可以得到相应的修正系数,或者查表得到相邻数据进行拟合得到相应的修正系数;然后,这个修正系数会被应用到编码器的测量值上,从而获得修正后的准确值。
然而,编码器测量中的非线性误差值实际并非恒定值,而是与编码器和待测物体之间的相对运动速度有关,这在高速运动状态(例如高速旋转)下尤其明显,而已有方法中得到的校正数据往往基于特定的相对速度。这导致当相对速度变化时,对编码器测量的校正准确率下降,甚至校正变得不再可靠。
针对上述中的相关技术,发明人认为当编码器在高速旋转时,采用上述已知方法进行校正的结果精确度和可靠性都有待提高。
发明内容
为了提高校正结果的精确度和可靠性,本申请提供一种编码器的非线性误差修正方法及编码器。
第一方面,本申请提供一种编码器的非线性误差修正方法,采用如下的技术方案:一种编码器的非线性误差修正方法,所述编码器用于检测转轴旋转的角度值,所述编码器的非线性误差修正方法包括:设置第一修调参考表,用于存储第一速度值V1和第一修调参数,所述第一修调参数包括M个第一参考角度值ANG1m和与之一一对应的M个第一目标修调值C1m;设置第二修调参考表,用于存储第二速度值V2和第二修调参数,所述第二修调参数包括N个第二参考角度值ANG2n和与之一一对应的N个第二目标修调值C2n,其中,1≤m≤M,1≤n≤N,且M、N为正整数;当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表;获取转轴当前的输入角度值ANGin并根据所述第一修调参数获得第一目标修调值C1,根据所述第二修调参数获得第二目标修调值C2;根据所述当前速度值V、第一速度值V1、第二速度值V2、第一目标修调值C1和第二目标修调值C2计算获得综合修调值C;根据所述输入角度值ANGin和综合修调值C计算获得输出角度值ANGout
进一步的方案是,所述当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表,包括:当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V;取所述当前速度值V与第一速度值V1之差的绝对值为dV1,取所述当前速度值V与第二速度值V2之差的绝对值为dV2;比较dV1和dV2的大小:若dV1大于dV2,则将所述当前速度值V作为新的第二速度值V2,并校准获得N个新的第二目标修调值C2n,同时将所述新的第二速度值V2和N个新的第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中;若dV1不大于dV2,则将所述当前速度值V作为新的第一速度值V1,并校准获得M个新的第一目标修调值C1m,同时将所述新的第一速度值V1和M个新的第一目标修调值C1m存储到所述第一修调参考表中。
进一步的方案是,所述当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表,之前还包括:将转轴第一次稳定时的旋转速度值作为第一速度值V1,并校准获得M个第一目标修调值C1m,同时将所述第一速度值V1和M个第一目标修调值C1m存储到所述第一修调参考表中;将转轴第二次稳定时的旋转速度值作为第二速度值V2,并校准获得N个第二目标修调值C2n,同时将所述第二速度值V2和N个第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中。
进一步的方案是,预设初始的第一速度值V1、初始的第一修调参数、初始的第二速度值V2和初始的第二修调参数,其中,所述初始的第一速度值V1和初始的第二速度值V2方向相反。
进一步的方案是,所述比较dV1和dV2的大小,之前还包括:判断所述dV1或dV2是否超过预设阈值;若超过,则比较dV1和dV2的大小;若不超过,则放弃所述当前速度值V。
进一步的方案是,所述第一速度值V1为0,所述第一修调参数由使用光学编码器检测获得,且所述第一速度值V1与所述第一修调参数在编码器运行过程中保持不变。
进一步的方案是,所述当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表,包括:当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V;将所述当前速度值V作为新的第二速度值V2,并校准获得N个新的第二目标修调值C2n,同时将所述新的第二速度值V2和N个新的第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中。
进一步的方案是,所述根据所述当前速度值V、第一速度值V1、第二速度值V2、第一目标修调值C1和第二目标修调值C2计算获得综合修调值C,具体公式为: 或/>
第二方面,本申请提供另一种编码器的非线性误差修正方法,采用如下的技术方案:一种编码器的非线性误差修正方法,所述编码器用于检测转轴旋转的角度值,所述编码器的非线性误差修正方法包括:设置第一修调参考表,用于存储第一周期值T1和第一修调参数,所述第一修调参数包括M个第一参考角度值ANG1m和与之一一对应的M个第一目标修调值C1m;设置第二修调参考表,用于存储第二周期值T2和第二修调参数,所述第二修调参数包括N个第二参考角度值ANG2n和与之一一对应的N个第二目标修调值C2n,其中,1≤m≤M,1≤n≤N,且M、N为正整数;当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前周期值T,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表;获取转轴当前的输入角度值ANGin并根据所述第一修调参数获得第一目标修调值C1,根据所述第二修调参数获得第二目标修调值C2;根据所述当前周期值T、第一周期值T1、第二周期值T2、第一目标修调值C1和第二目标修调值C2计算获得综合修调值C;根据所述输入角度值ANGin和综合修调值C计算获得输出角度值ANGout
进一步的方案是,所述当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前周期值T,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表,包括:当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前周期值T;取所述当前周期值T与第一周期值T1之差的绝对值为dT1,取所述当前周期值T与第二周期值T2之差的绝对值为dT2;比较dT1和dT2的大小:若dT1大于dT2,则将所述当前周期值T作为新的第二周期值T2,并校准获得N个新的第二目标修调值C2n,同时将所述新的第二周期值T2和N个新的第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中;若dT1不大于dT2,则将所述当前周期值T作为新的第一周期值T1,并校准获得M个新的第一目标修调值C1m,同时将所述新的第一周期值T1和M个新的第一目标修调值C1m存储到所述第一修调参考表中。
进一步的方案是,所述第一周期值T1为无穷大,所述第一修调参数由使用光学编码器检测获得,且所述第一周期值T1与所述第一修调参数在编码器运行过程中保持不变。
进一步的方案是,所述当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前周期值T,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表,包括:当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前周期值T;将所述当前周期值T作为新的第二周期值T2,并校准获得N个新的第二目标修调值C2n,同时将所述新的第二周期值T2和N个新的第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中。
进一步的方案是,所述根据所述当前周期值T、第一周期值T1、第二周期值T2、第一目标修调值C1和第二目标修调值C2计算获得综合修调值C,具体公式为:
第三方面,本申请还提供一种编码器,采用如下的技术方案:一种编码器,包括速度稳定检测模块和非线性误差修正模块,所述非线性误差修正模块使用上述编码器的非线性误差修正方法,对所述编码器的输出值进行误差修正。
综上所述,本申请采用两个修调参考表分别记录不同速度下的目标修调值,并且进行两级修调计算获得综合修调值C,在编码器高速旋转时也能具有较高的精确度和可靠性,同时,也能够适应不同的速度条件,从而更精准地进行校正。
附图说明
图1为本申请编码器的非线性误差修正方法的流程示意图。
图2为本申请第一修调参考表和第二修调参考表的示意图。
图3为输入信号与输出信号的坐标曲线图。
图4为在坐标曲线1上找E、F、G点的示意图。
图5为通过E、F、G点找到H、I点,再通过H、I点找到J点的示意图。
具体实施方式
需要说明的是,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
下面结合说明书附图对本申请编码器的实施例作描述,但该实施例不应理解为对本申请的限制。
本申请实施例提供一种编码器用于检测转轴旋转的角度值,并应用下列编码器的非线性误差修正方法进行误差修正。
下面结合编码器对非线性误差修正方法的实施例作进一步的详细说明。
通过分析磁编码器与速度相关的非线性误差的来源,可知这部分非线性误差的来源主要是磁编码器中的反生电动势。当变化的磁场通过一个导体回路时,会在导体中产生感应电动势,这被称为反生电动势。
反生电动势的产生原因主要有以下几种。一是电磁感应,磁传感器通常位于磁场中,当传感器或磁场本身发生高速运动时,根据法拉第电磁感应定律,电磁感应产生的电动势与磁场变化率成正比。旋转速度越高,磁场变化率也越大,从而产生的反向电动势也会增大。二是电感耦合,在高速运动过程中,磁传感器周围的电感耦合效应可能导致额外的反向电动势产生。这种效应通常与传感器内部的导线或电路板布局有关。电感耦合导致的电动势与旋转速度成正比,因为电感耦合效应会随着频率的增加而增加,而旋转速度越高,电磁波的频率也越高。三是传感器内部电阻,磁传感器内部的电阻会导致信号衰减。高速旋转时,传感器内部电流的频率增加,与电阻成正比的反向电动势也随之增大。这种现象可以通过分析传感器内部的阻抗特性来解释。阻抗是频率的函数,当频率增加时,阻抗也会增加,从而导致更大的反向电动势。
综上所述,我们发现反生电动势导致的非线性误差的特点是,非线性误差值与待测传感器运动的速度成正比。本专利申请的目标是针对这一种非线性误差值进行消除,尤其适用于高速旋转的测量环境。
对磁传感器输出信号及部分中间信号进行数字化编码后,这种磁传感器在业内被称为“磁编码器”或“磁编传感器”。本专利申请虽然采用磁编码器为例解释各实施例,但本领域技术人员可以理解,编码器不限于采用磁传感方式,还可以采用光传感等其他方式。在光传感等其他方式中,若存在外部磁场,电路在高速运动状态下同样存在反生电动势效应从而导致相应的非线性误差,只是这部分误差是否明显而已。本专利申请提供的是一种适用于高精度测量领域的通用的校正方法。
如图1所示,本申请实施例提供一种编码器的非线性误差修正方法,包括以下步骤S00-S40。
S00:如图2所示,设置第一修调参考表,用于存储第一速度值V1和第一修调参数,所述第一修调参数包括M个第一参考角度值ANG1m和与之一一对应的M个第一目标修调值C1m;设置第二修调参考表,用于存储第二速度值V2和第二修调参数,所述第二修调参数包括N个第二参考角度值ANG2n和与之一一对应的N个第二目标修调值C2n,其中,1≤m≤M,1≤n≤N,且M、N为正整数。
可以理解的是,在初始状态下,对于第一修调参考表和第二修调参考表中的具体数值,可以是预先设置好,也可以是在正式检测时再将具体的测量值写入,还可以是通过无感的自校准方法来得到。具体如何赋值,可以根据具体的实际情况进行选择。
例如,可以预设初始的第一速度值V1、初始的第一修调参数、初始的第二速度值V2和初始的第二修调参数,其中,所述初始的第一速度值V1和初始的第二速度值V2可以是数值较大且方向相反,例如,初始的第一速度值V1可以取3000rpm ,初始的第二速度值V2可以取-3000rpm,这是最常用的, 正负方向可以让两个速度接近最快但速度差值也是最大,从而提高最后的修正效果。对于产品质量稳定的磁编码器,在获得其中一个磁编码器经检测后在V1、V2得到的修调参数后,可以直接预设到其他磁编码器中。
又例如,第一修调参考表和第二修调参考表中的具体数值,也可以在正式检测时再将具体的测量值写入,具体包括:将转轴第一次稳定时的旋转速度值作为第一速度值V1,并校准获得M个第一目标修调值C1m,同时将所述第一速度值V1和M个第一目标修调值C1m存储到所述第一修调参考表中;将转轴第二次稳定时的旋转速度值作为第二速度值V2,并校准获得N个第二目标修调值C2n,同时将所述第二速度值V2和N个第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中。
具体来说,可以增加一个使能开关(可以是芯片的一个引脚也可以是通过spi命令修改的内部寄存器,其中spi指串行外设接口Serial Peripheral Interface),使能开关打开的时候,才可以进行参数校准,否则完全停止。
在这种方法中,修调值可以通过磁编码器内部的自校准方法得到,该方法在后介绍使用完全无感的自校准方法来得到第一修调参考表和第二修调参考表时描述。
第一步,电机直接上到很高的速度(例如3000rpm),稳定住后,打开使能开关,启动第一次参数校准,当修调值经过反复迭代、平均计算等过程校准,数值不发生很大变化后,确定所有参考点对应的修调值都已经更新且稳定后,关闭使能开关,将当前速度(3000rpm)作为第一速度值V1写入第一修调参考表中,并将所有参考点对应的修调值作为第一目标修调值C1m写入第一修调参考表中。
第二步,当电机运动到另一个速度(例如-3000rpm)且稳定住的时候,再打开使能开关,比较当前速度和第一速度值V1的差的绝对值,如果大于预设的阈值,则启动第二次参数校准,同样当修调值经过反复迭代、平均计算等过程校准,数值不发生很大变化后,确定所有参考点对应的修调值都已经更新且稳定后,关闭使能开关,将当前速度(-3000rpm)作为第二速度值V2写入第二修调参考表中,并将所有参考点对应的修调值作为第二目标修调值C2n写入第二修调参考表中。
可以理解的是,在第二次参数校准后,也可以将原来第一修调参考表中的所有数据都推入第二修调参考表中,再将第二次参数校准后的数据(第二速度值V2和所有参考点对应的修调值)写入第一修调参考表中。
这时候就可以通过两组参数进行修正,当系统实际工作的时候,就可以不需要这个使能开关,回到全自动方式,完全用速度稳定检测模块去控制。
上述方法中,还可以使用光编传感器等角度测量值精度高的装置,对磁编传感器进行校准,在转动速度稳定在V1、V2时分别校准两次,从而得到第一及第二修调参考表。
又例如,第一修调参考表和第二修调参考表中的具体数值,还可以通过完全无感的自校准方法来得到。例如,专利申请CN117168530A公开了一种磁性编码器的自校准方法,该方法具体如下。举例来说,为了获得本申请中的第二修调参考表,在0~360度上依次设置N个角度参考点(即本申请中的“第一参考角度值ANG1m”或“第二参考角度值ANG2n”),并相应设置N个非线性角度误差参考值的初始值。记录磁编码器的角度输出值经过每个角度参考点时的时间点,该时间点称为时间戳。这一时间点实际上受噪音影响,并不稳定,但噪音通过后续多次迭代求平均值的滤波计算(例如后续介绍的一阶无限冲击响应IIR滤波计算)得到抑制。然后,判断转轴转动是否处于匀速转动状态(即本申请中的“转轴的旋转速度值稳定”),若是,则对N个非线性角度误差参考值进行迭代,具体是基于在先角度参考点和在后角度参考点/>所对应的时间戳的差值、转轴的转动周期P,及前一个角度参考点对应的非线性角度误差参考值,计算在后一个角度参考点的非线性角度误差参考值。例如,先使用/>计算出转轴从在先角度参考点至在后角度参考点所转动的实际角度/>,再使用计算出在后角度参考点/>对应的新的非线性角度误差参考值,其中,/>为在先角度参考点对应的时间戳,/>为在后角度参考点对应的时间戳,P为转轴周期,P的计算方法在本专利申请后续部分描述。再然后,对历次得到的非线性角度误差参考值进行滤波计算,例如使用一阶无限冲击响应(IIR)滤波,得到滤波后的非线性角度误差参考值,并对所有角度参考点都执行这一操作。例如,IIR滤波计算具体可以使用/>,其中,/>滤波后的值,/>为角度参考点/>对应的前一次得到的非线性角度误差参考值,/>为角度参考点/>对应的新的非线性角度误差参考值,/>为IIR滤波器系数,且0</>≤1。再然后,对各角度参考点滤波后的非线性角度误差参考值取平均值,具体是计算/>,并将每个滤波后的非线性角度误差参考值都减去平均值,具体是计算/>,从而消除非线性角度误差参考值的零点偏移。将减去平均值后的各滤波后的非线性角度误差参考值/>,作为最终输出的非线性角度误差参考值(即本申请中的“第一目标修调值C1m”或“第二目标修调值C2n”)。
在CN117168530A公开的上述方法中,判断转动是否处于匀速转动状态的方法在后基于步骤S10讲述。转动周期P的计算方法如下:先计算同一个角度参考点相邻两次转动的两个时间戳的差值,如果这一差值大于一定阈值Pmin(由于存在噪声,信号有小概率会在角度参考点附近,例如22.5度附近,快速地左右抖动,这样就有可能导致两次经过22.5度的时间被记录下,但这两次时间间隔非常小,并不是一个周期,为了排除这一情况,根据电机实际使用中可能遇到的最大转速,设定一个最小阈值Pmin,只有两次经过某个角度参考值的时间大于Pmin,两个时间之间的差值才算为周期),则将该差值作为基于该角度参考点得到的转动周期,以排除过大噪音对计算结果的影响;可以取该转动周期为后一轮转动的周期,也可以对基于多个角度参考点得到的转动周期进行平均等处理,从而得到该后一轮转动的周期。然后对历次转动得到的周期进行一阶无限冲击响应(IIR)滤波,得到滤波后的周期,作为最终计算输出的转动周期P。
又例如,专利申请CN115355937A也公开了一种磁性编码器的自校准方法,该方法具体如下。举例来说,为了获得本申请中的第二修调参考表,对磁性编码器第i轮第j次输出的角度值θdet(ij)进行低通滤波,从而提高检测数据的线性度;将滤波后得到的滤波值θfilt(ij)视为对检测值θdet(ij)进性线性度校正的结果。在0~360度内设置N个参考点θref(n)(相当于本申请中的“第二参考角度值ANG2n”),选取每个周期与各个参考点θref(n)最接近的检测值θdet(ij),并取θcal(i-n)filt(ij)det(ij)为校正结果与测量结果之间的差值,来作为参考点θref(n)的第i个周期的修调值。对于每一个参考点,p个周期就有p个对应的修调值,对该p个修调值做均化处理可以得到较为准确的目标修调值θcal(n)(相当于本申请中的“第二目标修调值C2n”),由此,每个参考点都可获得与之对应的目标修调值θcal(n),从而形成修调参考表(相当于本申请中的“第二修调参考表”)。
依照上述自校准方法,当判断转动稳定在速度V1后(处于匀速转动状态),可记录速度V1并得到第一修调参考表;当判断转动稳定在速度V2后,可记录速度V2并得到第二修调参考表。判断转动是否处于匀速转动状态的方法在后基于步骤S10讲述。速度V1、V2可以为磁编码器输出的速度测量值,或者由上述自校准方法中的时间戳、角度参考值等计算而得,可以根据实际情况来选择获得V1、V2的方法。采用上述完全无感的自校准方法,可以实现第一修调参考表和第二修调参考表的无感初始化或自校准。
在一种优选实施方式中,可以在低速状态(V1)下使用光编传感器校准,获得比较准确的第一修调参考表,再在较高速状态(V2)下使用自校准方法,获得第二修调参考表,并且第一修调参考表的参考点取值个数可以多于第二修调参考表。此时,在低速状态(V1)下使用光编传感器校准而获得的第一修调参考表的准确度,比在较高速状态(V2)下使用自校准方法得到的第二修调参考表的准确度高。在后续的修调参考表更新中,可以只更新第二修调参考表,不更新第一修调参考表,从而一直保持第一修调参考表为非常准确的数据,以进一步提高校准精度。
S10:当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表。
具体来说,在这里可以引入一个速度稳定检测模块,用于检测转轴的旋转速度值是否稳定,在速度不稳定的情况下,不记录任何修调参数。
可以理解的是,速度稳定检测模块的实现方式有很多,可以采用本领域比较常用的速度稳定检测传感器,也可以采用例如公开号为CN116892970A的专利中公开的自检测方法来实现速度稳定的检测,该方法具体如下。在0~360度上依次设置N个角度参考点{ref[0],ref[1]…ref[n-1],ref[n]…ref[N-1]},记录磁编码器的角度输出值经过每个角度参考点时的时间点{TS[0],TS[1]…TS[n-1],TS[n]…TS[N-1]},这些时间点称为时间戳。对角度参考点ref[n],将转轴经过ref[n]的第q个周期记为Pq,对ref[n]多次测量并记录转轴的周期,形成周期数据集:{P1,P2…Pq-1,Pq…PQ},以ref[n]为例,磁编码器的角度输出值第2次和第1次经过ref[n]的时长,为以ref[n]进行测量的转轴的周期P1;当磁编码器的角度输出值第3次和第2次经过ref[n]的时长,为以ref[n]进行测量的转轴的周期P2,以此类推。再对周期集{P1,P2…Pq-1,Pq…PQ}进行计算,得到转轴的平均周期P,系统亦可将转轴的平均周期P作为评判磁编码器稳定性的一个指标。然后,可以根据下述方法之一,评判系统是否满足进入稳定状态的前提:(1)计算当前周期Pq与上一周期Pq-1的差值的绝对值是否小于第一预设值Rlim1,即,判断式子|Pq-Pq-1|<Rlim1是否成立;(2)通过相邻两个参考点ref [n]、ref[n-1]之间的时间戳TS[n],TS[n-1]的差值,与该两个参考点ref[n]、ref[n-1]之间的角度值的关系来评判,即,判断式子是否成立;(3)计算当前周期Pq与P的差值的绝对值是否小于第三预设值Rlim3,即,判断式子|Pq-P|<Rlim3是否成立。当依据上述方法之一判断相应式子成立(评判系统满足进入稳定状态的前提),并且该式子持续成立达到一定次数,则判断系统进入稳定状态。
CN116892970A专利公开的上述方法,主要通过计算各个周期之间的差异性大小来判断转轴的旋转速度值是否稳定,从而实现速度稳定的检测,同时克服噪音带来的磁编码器角度输出值抖动的影响。本领域技术人员在这一方法教导下,很容易对该方法进行调整,从而设计出原理一致但具体操作步骤不同的其他自检测方法,例如,可以计算周期或者速度的方差,当在一定时间内周期或者速度的方差小于某个预设值的次数达到预定次数时,则判断为稳定状态;或者,可以对多个角度参考点ref[n]分别计算各自的周期数据集,并使用方法(1)-(3)之一评判系统是否进入稳定状态时,考虑多个角度参考点ref[n]各自计算出来的周期数据;又或者,在依据方法(1)-(3)之一判断相应式子成立(评判系统满足进入稳定状态的前提)后,虽然该式子不能持续成立达到一定次数,但在满足一定条件的前提下,也判断系统进入稳定状态。本领域技术人员还可以借助非自校准方法来判断转动速度是否稳定,例如在电机转子或定子上设置某种信号源,在转自或定子的另一端设置信号源的检测装置,通过检测信号源与检测装置之间的相对位置是否回到初始状态来计算电机转动周期或速度,并依据计算得到的转动周期或速度判断转动是否稳定。本申请在此不做限定。
此外,虽然本申请实施例大部分依据电机来做说明,本领域技术人员能理解,这些实施例也适用于其他场景下的转动测量,本申请在此不做限定。
不难理解地,当磁编码器处于不稳定状态时,磁编码器不会更新第一修调参考表或第二修调参考表,因为此时形成的参数是不稳定的。直到编码器处于稳定状态时,才会记录转轴的当前速度值V,并自动更新第一修调参考表或第二修调参考表。
在本申请一种实施例中,所述当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表,包括以下步骤S11-S15。
S11:当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V。
当前速度值V可以由已经记录的转动周期来计算。可以用360度除以周期,也可以用单位1除以周期。转动周期的计算方法,可以参考上述关于CN117168530A公开内容的描述。周期的具体数值可以用芯片内部输出的时钟值,也可以将该时钟值换算为标准时间值。为了方便处理,还可以将本专利申请文件中提及的对速度的记录或运算替换为对周期的记录或运算,这两者在数学运算上是等价的。
需要注意的是,由于在描述转动周期的计算方法时,使用英文字母P(或加上数字)来指代计算中间步骤中出现的周期,为避免混淆,当转动速度稳定后且相应的转动周期被计算出来后,需将转动周期记录到修调参考表、或使用该转动周期以进行后续判断或计算时,本专利申请使用英文字母T(或加上数字)来指代转动周期。
S12:取所述当前速度值V与第一速度值V1之差的绝对值为dV1,取所述当前速度值V与第二速度值V2之差的绝对值为dV2
S13:比较dV1和dV2的大小。
可以理解的是,在所述比较dV1和dV2的大小,之前还可以包括:判断所述dV1或dV2是否超过预设阈值;若超过,则比较dV1和dV2的大小;若不超过,则放弃所述当前速度值V,不对dV1和dV2进行比较。
设置这一预设阈值,是为了避免过于频繁地更新第一修调参考表或第二修调参考表,也为了避免V1与V2过于接近而导致校正变得不准确。
S14:若dV1大于dV2,则将所述当前速度值V作为新的第二速度值V2,并校准获得N个新的第二目标修调值C2n,同时将所述新的第二速度值V2和N个新的第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中。
S15:若dV1不大于dV2,则将所述当前速度值V作为新的第一速度值V1,并校准获得M个新的第一目标修调值C1m,同时将所述新的第一速度值V1和M个新的第一目标修调值C1m存储到所述第一修调参考表中。
具体来说,上述的校准获得M个新的第一目标修调值C1m的方法,可参考上述公开号为CN117168530A、CN115355937A的专利等现有技术,或者参考其他现有技术,在此不做限制。
可以理解的是,在比较dV1和dV2的大小之前也可以先做一个更新时间的判断。例如,可以在每次更新第一修调参考表或第二修调参考表的时候,都记录一个对应的更新时间,当需要更新时,判断哪个修调参考表的更新时间更早,更新时间更早说明数据长时间没有更新,这时候,可以直接把时间更早的那个修调参考表替换掉;如果时间都比较接近(例如两个修调参考表的更新时间差值小于预设阈值),则采用上述比较dV1和dV2的大小的方法,这样尽量保持V1和V2之间有一个比较大的差值,对于速度变化明显的情况也能达到更好地修调效果。
在速度变化明显的情况下,通过更新第一修调参考表或第二修调参考表中的速度和修正参数,使最后的修正更准确地适应当前的速度情况。通过不断地更新和拟合,可以更好地补偿非线性误差。
在本申请另一种实施例中,所述当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表,包括以下步骤:当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V;将所述当前速度值V作为新的第二速度值V2,并校准获得N个新的第二目标修调值C2n,同时将所述新的第二速度值V2和N个新的第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中。
可以理解的是,在该实施例中,第一速度值V1和第一修调参数是一直保持不变的,检测到的当前速度值V都作为新的第二速度值V2更新存储到第二修调参考表中,同时,也都是基于该当前速度值V进行校准获得N个新的第二目标修调值C2n并更新存储到所述第二修调参考表中。
在该实施例中,可以预设初始的第一速度值V1为0。在初始的第一速度值V1等于0的情况下,可以提供一台光学编码器, 让转动停在每一个参考点位置, 通过比较本实施例中待修正的编码器和该光学编码器的输出, 然后例如手动写入(比如使用SPI命令)包括第一参考角度值ANG1m和第一目标修调值C1在内的初始的第一修调参数,也可以使用相应设备自动写入第一修调参数。在初始的第一速度值V1等于0的情况下,还可以保持转动速度为接近0的极低速,并配合使用光学编码器来得到第一修调参数(以光学编码器的输出作为真实角度值,则第一修调参数为各参考点处、待修正编码器和光学编码器输出之间的差值),或使用自动校正方法而无需外部设备配合来得到第一修调参数。由于将第一速度值V1设置为0且保持不变,因此,可以更好地应对高低速不同情况下的非线性误差。而且,如果采用光学编码器在速度为0时进行校准并保存为第一修调参数,由于在检测过程中第一修调参数也不会被更新,因此可以保持第一修调参数的高精度,从而能够提高最后得到的综合修调值的精度。
可以理解的是,在第一速度值V1取值为0时,第一修调参数可以理解为是静态误差,第二修调参数可以理解为是动态误差。
S20:获取转轴当前的输入角度值ANGin并根据所述第一修调参数获得第一目标修调值C1,根据所述第二修调参数获得第二目标修调值C2
可以理解的是,第一参考角度值ANG1m的数量M和第二参考角度值ANG2n的数量N可以是相等的,也可以是不相等的,其中,M可以大于N,因为通过实验观察发现,编码器的静态非线性误差的分布频率要大于高速状态下产生的非线性误差分布频率。
具体来说,上述的拟合方法可参考例如公开号为CN116662731A的专利申请中所述方法,或采用多项式拟合等现有技术实现,在此不做限制。
以下,将结合CN116662731A专利申请中所述方法,来说明其中一种可行的拟合方法。如图3所示,为了拟合获得第一目标修调值C1,在获取转轴当前的输入角度值ANGin后(该输入角度值由磁编码器输出并输入至承担拟合功能的计算模块),可以在第一修调参考表中选取与输入角度值ANGin相邻的四个第一参考角度值(假设分别为ANG1m-1、ANG1m、ANG1m+1和ANG1m+2,其中,ANGin位于ANG1m和ANG1m+1之间),建立用于表征输入角度值与输出的目标修调值的坐标曲线图,其中,横坐标用于表征输入角度值(对应于CN116662731A中“输入信号的输入值”),纵坐标用于表征输入角度值所对应的目标修调值(对应于CN116662731A中“输出信号的输出值”)。
针对所述坐标曲线图建立输入值等距的至少四个参考点:n1(ANG1m-1)、n0(ANG1m)、p0(ANG1m+1)、p1(ANG1m+2),该四个参考点分别对应的角度值为:Xr(m-1)、Xr(m)、Xr(m+1)、Xr(m+2),它们即为保存于第一修调参考表中的四个相邻的第一参考角度值。该四个参考点分别对应的目标修调值为:Yr(m-1)、Yr(m)、Yr(m+1)、Yr(m+2),它们即为保存于第一修调参考表中的四个相邻的第一参考角度值所分别对应的四个第一目标修调值。并且,相邻两个参考点的角度值差值为:X=Xr(m+1)-Xr(m)
此处要求四个参考点之间等距,是因为在等距的情况下,可以采用后续的运算方法,这些运算方法可以用通用处理器实现,也可以使用专用电路非常快速地实现。在使用专用电路的情况下,计算速度会显著提高。由于输入角度值ANGin的不确定性,四个参考点之间等距,实际上要求所有相邻两个参考点之间都等距,即,要求第一修调参考表中各相邻第一参考角度值ANG1m之间等距,且第二修调参考表中各相邻第二参考角度值ANG2n之间等距。但若采用其他拟合方法,并不要求各相邻ANG1m之间或各相邻ANG2n之间等距。
接下来,对n0至p0之间的坐标曲线进行拟合。
在参考点n0和p0之间找到两个锚点B点和C点,其中n0标记为A,p0标记为D。由于特定角度值与其对应的目标修调值之间,本质上是输入信号值与输出信号值之间的关系,为了便于解释数学计算过程,以下描述直接使用“输入值”与“输出值”来分别代替角度值及其对应的目标修调值。
令A点的输入值为XA,锚点B的输入值为XB,锚点C的输入值为XC,D点的输入值为XD,A点的输出值为YA,锚点B的输出值为YB,锚点C的输出值为YC,D点的输出值为YD,其中:YB=YA+(1);YC=YD-/>(2);其中,R的取值为通过赋值得到,较佳者,R的取值为大于等于2的自然数,也即是R的取值可以是2、4、5、6等等。
假设转轴当前的输入角度值ANGin的输入值Xin,且当Xr(m)≤Xin≤Xr(m+1)时进行拟合,并输出Rout,令:(3);令:Rout=rn+t(rp-rn)(4)。其中,t在图3中具有物理含义,即输入信号距离A点横坐标的距离占X的比例。式子(4)将在后续计算中多次用到,故使用rn、rp这两个量来指代后续将代入式子(4)进行计算的各数值。
第一次复用上述式子(4):输入rn=YA,rp=YB,输出Rout1=YAB,具体的,Rout1=rn+t(rp-rn)=YA+t(YB-YA)=YAB,在该式子中,YA是查表获得的,YB是通过式子(1)计算出来的,如此能够将YAB计算出来。
第二次复用上述式子(4):输入rn=YB,rp=YC,输出Rout2=YBC,具体的,Rout2=rn+t(rp-rn)=YB+t(YC-YB)=YBC,在该式子中,YB和YC分别是通过式子(1)和(2)计算出来的,如此能够将YBC计算出来。
第三次复用上述式子(4):输入rn=YC,rp=YD,输出Rout3=YCD,具体的,Rout3=rn+t(rp-rn)=YC+t(YD-YC)=YCD,在该式子中,YD是查表获得的,YC是通过式子(2)计算出来的,如此能够将YCD计算出来。
第四次复用上述式子(4):输入rn=YAB,rp=YBC,输出Rout4=YABC,具体的,Rout4=rn+t(rp-rn)=YAB+t(YBC-YAB),由于YAB、YBC分别是在第一次复用及第二次复用上述式子(4)时计算出来的,因此能够将Rout4=YABC计算出来。
第五次复用上述式子(4):输入rn=YBC,rp=YCD,输出Rout5=YBCD,具体的,Rout5=rn+t(rp-rn)=YBC+t(YCD-YBC),由于YBC、YCD分别是在第二次复用及第三次复用上述式子(4)时计算出来的,因此能够将Rout5 =YBCD计算出来。
第六次复用上述式子(4):输入rn=YABC,rp=YBCD,输出Rout6=Yout,具体的,Rout6=rn +t(rp-rn)=YABC+t(YBCD-YABC),由于YABC、YBCD分别是在第四次复用及第五次复用上述式子(4)时计算出来的,因此能够将Rout =Yout计算出来。
如此得到输入值Xin为位于Xr(m)、Xr(m+1)之间的拟合后的输出值Yout作为第一目标修调值C1。其中,上文中,为了更好地进行区分,分别用:Rout1、Rout2、Rout3、Rout4、Rout5、Rout6来表示第一、二、三、四、五、六次复用上述式子(4)后输出的结果。
一个实施例中,参考图4和图5,所述第一次复用上述式子(4):具体是在线段AB上复用上述式子(4),找到E点,输出YAB=YE
即是,用YA、YB的值来替代rn和rp,进而通过式子(4)来进行计算,得到输出Rout=YE,即找到如图4所示的E点所在的位置。
一个实施例中,所述第二次复用上述式子(4):具体是在线段BC上复用上述式子(4),找到F点,输出YBC=YF
即是,用YB、YC的值来替代rn和rp,进而通过式子(4)来进行计算,得到输出Rout=YF,即找到如图4所示的F点所在的位置。
一个实施例中,所述第三次复用上述式子(4):具体是在线段CD上复用上述式子(4),找到G点,输出YCD=YG
即是,用YC、YD的值来替代rn和rp,进而通过式子(4)来进行计算,得到输出Rout=YG,即找到如图4所示的G点所在的位置。
一个实施例中,所述第四次复用上述式子(4):具体是在线段EF上复用上述式子(4),找到H点,输出YABC=YEF=YH
即是,用YE、YF的值来替代rn和rp,进而通过式子(4)来进行计算,得到输出Rout=YH,即找到如图5所示的H点所在的位置。
一个实施例中,所述第五次复用上述式子(4):具体是在线段FG上复用上述式子(4),找到I点,输出YBCD=YFG=YI
即是,用YF、YG的值来替代rn和rp,进而通过式子(4)来进行计算,得到输出Rout=YI,即找到如图5所示的I点所在的位置。
一个实施例中,所述第六次复用上述式子(4):具体是在线段HI上复用上述式子(4),找到J点,输出Yout=YHI=YJ
即是,用YH、YI的值来替代rn和rp,进而通过式子(4)来进行计算,得到输出Rout=YJ,即找到如图5所示的J点所在的位置。
如此得到入值Xr(n)、Xr(n+1)之间的拟合后的输出值Yout作为第一目标修调值C1
可以理解的是,为了拟合获得第二目标修调值C2同样可以采用上述方式拟合获得,也可以采用多项式拟合获得,在此不做限制。
S30:根据所述当前速度值V、第一速度值V1、第二速度值V2、第一目标修调值C1和第二目标修调值C2计算获得综合修调值C。
具体来说,可以根据第一目标修调值C1和第二目标修调值C2的差值与第一速度值V1、第二速度值V2的差值之间实际呈现出来的关系,来确定综合修调值C。一种简单且节省资源的做法是,认为修调值与速度值之间呈正比变化,从而通过计算第一目标修调值C1和第二目标修调值C2的差值与第一速度值V1、第二速度值V2的差值之间的比例,来确定综合修调值C。例如,可以根据公式或/>计算获得综合修调值C。/>
可以理解的是,也可以根据其他公式进行计算获得综合修调值C,例如,
等。
S40:根据所述输入角度值ANGin和综合修调值C计算获得输出角度值ANGout,其中,+C。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,仅以上述各功能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模块完成,即将装置的内部结构划分成不同的功能模块,以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的系统、装置和方法,可以通过其他的方式实现。所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为单独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,本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备或处理器执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
以上实施例仅用以对本申请的技术方案进行详细介绍,但以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想,不应理解为对本申请的限制。本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种编码器的非线性误差修正方法,所述编码器用于检测转轴旋转的角度值,其特征在于,所述编码器的非线性误差修正方法包括:
设置第一修调参考表,用于存储第一速度值V1和第一修调参数,所述第一修调参数包括M个第一参考角度值ANG1m和与之一一对应的M个第一目标修调值C1m;设置第二修调参考表,用于存储第二速度值V2和第二修调参数,所述第二修调参数包括N个第二参考角度值ANG2n和与之一一对应的N个第二目标修调值C2n,其中,1≤m≤M,1≤n≤N,且M、N为正整数;
当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表;
获取转轴当前的输入角度值ANGin并根据所述第一修调参数获得第一目标修调值C1,根据所述第二修调参数获得第二目标修调值C2
根据所述当前速度值V、第一速度值V1、第二速度值V2、第一目标修调值C1和第二目标修调值C2计算获得综合修调值C;
根据所述输入角度值ANGin和综合修调值C计算获得输出角度值ANGout
2.如权利要求1所述的编码器的非线性误差修正方法,其特征在于,所述当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表,包括:
当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V;
取所述当前速度值V与第一速度值V1之差的绝对值为dV1,取所述当前速度值V与第二速度值V2之差的绝对值为dV2
比较dV1和dV2的大小:
若dV1大于dV2,则将所述当前速度值V作为新的第二速度值V2,并校准获得N个新的第二目标修调值C2n,同时将所述新的第二速度值V2和N个新的第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中;
若dV1不大于dV2,则将所述当前速度值V作为新的第一速度值V1,并校准获得M个新的第一目标修调值C1m,同时将所述新的第一速度值V1和M个新的第一目标修调值C1m存储到所述第一修调参考表中。
3.如权利要求2所述的编码器的非线性误差修正方法,其特征在于,所述当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表,之前还包括:
将转轴第一次稳定时的旋转速度值作为第一速度值V1,并校准获得M个第一目标修调值C1m,同时将所述第一速度值V1和M个第一目标修调值C1m存储到所述第一修调参考表中;
将转轴第二次稳定时的旋转速度值作为第二速度值V2,并校准获得N个第二目标修调值C2n,同时将所述第二速度值V2和N个第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中。
4.如权利要求2所述的编码器的非线性误差修正方法,其特征在于:预设初始的第一速度值V1、初始的第一修调参数、初始的第二速度值V2和初始的第二修调参数,其中,所述初始的第一速度值V1和初始的第二速度值V2方向相反。
5.如权利要求2所述的编码器的非线性误差修正方法,其特征在于,所述比较dV1和dV2的大小,之前还包括:
判断所述dV1或dV2是否超过预设阈值;
若超过,则比较dV1和dV2的大小;
若不超过,则放弃所述当前速度值V。
6.如权利要求1所述的编码器的非线性误差修正方法,其特征在于,所述第一速度值V1为0,所述第一修调参数由使用光学编码器检测获得,且所述第一速度值V1与所述第一修调参数在编码器运行过程中保持不变。
7.如权利要求6所述的编码器的非线性误差修正方法,其特征在于,所述当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表,包括:
当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前速度值V;
将所述当前速度值V作为新的第二速度值V2,并校准获得N个新的第二目标修调值C2n,同时将所述新的第二速度值V2和N个新的第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中。
8. 如权利要求1所述的编码器的非线性误差修正方法,其特征在于:所述根据所述当前速度值V、第一速度值V1、第二速度值V2、第一目标修调值C1和第二目标修调值C2计算获得综合修调值C,具体公式为: 或/>
9.一种编码器的非线性误差修正方法,所述编码器用于检测转轴旋转的角度值,其特征在于,所述编码器的非线性误差修正方法包括:
设置第一修调参考表,用于存储第一周期值T1和第一修调参数,所述第一修调参数包括M个第一参考角度值ANG1m和与之一一对应的M个第一目标修调值C1m;设置第二修调参考表,用于存储第二周期值T2和第二修调参数,所述第二修调参数包括N个第二参考角度值ANG2n和与之一一对应的N个第二目标修调值C2n,其中,1≤m≤M,1≤n≤N,且M、N为正整数;
当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前周期值T,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表;
获取转轴当前的输入角度值ANGin并根据所述第一修调参数获得第一目标修调值C1,根据所述第二修调参数获得第二目标修调值C2
根据所述当前周期值T、第一周期值T1、第二周期值T2、第一目标修调值C1和第二目标修调值C2计算获得综合修调值C;
根据所述输入角度值ANGin和综合修调值C计算获得输出角度值ANGout
10.如权利要求9所述的编码器的非线性误差修正方法,其特征在于,所述当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前周期值T,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表,包括:
当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前周期值T;
取所述当前周期值T与第一周期值T1之差的绝对值为dT1,取所述当前周期值T与第二周期值T2之差的绝对值为dT2
比较dT1和dT2的大小:
若dT1大于dT2,则将所述当前周期值T作为新的第二周期值T2,并校准获得N个新的第二目标修调值C2n,同时将所述新的第二周期值T2和N个新的第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中;
若dT1不大于dT2,则将所述当前周期值T作为新的第一周期值T1,并校准获得M个新的第一目标修调值C1m,同时将所述新的第一周期值T1和M个新的第一目标修调值C1m存储到所述第一修调参考表中。
11.如权利要求9所述的编码器的非线性误差修正方法,其特征在于,所述第一周期值T1为无穷大,所述第一修调参数由使用光学编码器检测获得,且所述第一周期值T1与所述第一修调参数在编码器运行过程中保持不变。
12.如权利要求11所述的编码器的非线性误差修正方法,其特征在于,所述当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前周期值T,根据预设更新方法更新所述第一修调参考表或第二修调参考表,包括:
当转轴的旋转速度值稳定时,获取转轴的当前周期值T;
将所述当前周期值T作为新的第二周期值T2,并校准获得N个新的第二目标修调值C2n,同时将所述新的第二周期值T2和N个新的第二目标修调值C2n存储到所述第二修调参考表中。
13.如权利要求9所述的编码器的非线性误差修正方法,其特征在于:所述根据所述当前周期值T、第一周期值T1、第二周期值T2、第一目标修调值C1和第二目标修调值C2计算获得综合修调值C,具体公式为:
14.一种编码器,包括速度稳定检测模块和非线性误差修正模块,其特征在于:所述非线性误差修正模块使用如权利要求1-13任一项所述的编码器的非线性误差修正方法,对所述编码器的输出值进行误差修正。
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