CN118031812A - 基于动态预测插值重采样的时栅位移高速高精度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于动态预测插值重采样的时栅位移高速高精度测量方法，属于位移测量技术领域。该方法包括：首先在单个行波信号的周期内采集嵌入式位置测量最近n个时间差Δt和定测头的周期T；根据采集的时间差Δt和定测头的周期T计算被测量x，并将计算得到的n个被测量x组成位置量序列；采用动态预测插值的重采样算法将位置量序列转换为等位移量间隔的序列，再将该等位移量间隔的序列输入脉宽调制单路中得到等空间脉冲。本发明通过将等时间采样转换为等空间采样，可以解决时栅传感器高速应用的时‑空不同步问题以及测量分辨力随速度变化的问题，拓展了时栅位移测量方法在全速度域内的应用。

Description

基于动态预测插值重采样的时栅位移高速高精度测量方法

技术领域

本发明属于位移测量技术领域，涉及一种基于动态预测插值重采样的时栅位移高速高精度测量方法。

背景技术

高速、高分辨率位移测量是现代高档数控系统的发展趋势，然而现代精密位移测量装置，普遍存在高速与高分辨率测量不能同时兼容的问题，即高分辨率传感器测量速度范围窄，而高速测量传感器分辨率低。以目前工程上应用最为广泛的精密位移传感器——光栅为例，光栅通过对栅线数目的记录来实现位移测量，其测量精度与分辨率由栅线制造的精度和细密度决定，随着运动速度的提高，由于高精度光栅的栅线密度非常大，导致光电转换频率以及数据处理速度均大幅度上升，对高速光电转换设备、高速电路系统、高频电磁兼容等均提出了很高要求。因此，随着速度范围进一步扩大，光栅面临单一传感器难以实现高速与高分辨率测量同时满足的需求，即高分辨率光栅测量速度范围窄，而宽速度范围测量的光栅分辨率低。

时栅是一种新的利用时间测量空间位置的位移传感器，其测量精度和分辨率由高精度时钟脉冲决定；因此，在高速动态测试过程中不会大幅度增加传感器材料与电路处理能力的要求。现市面上知名品牌的数控系统都采用与增量式光栅的匹配接口，也就是等空间采样反馈数据。然而，时栅传感器应用于电机控制时，随电机运动速度变化，同等采样间隔下测量的分辨率随速度发生变化且存在时空不同步的现象。

公开号为CN102288100A，名称为一种基于交变电场的时栅直线位移传感器的专利申请中，公开了一种时栅信号处理系统，其包括整形电路、比相电路(相当于比相器)和微处理器(相当于上位机)，时栅直线位移传感器输出的行波信号U₀与一路相位固定的同频率参考信号U_r接入整形电路处理，转换为同频率的两路方波信号后，由比相电路进行比相，两路信号的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经微处理器标度变换后得到直线位移值。这种信号处理系统采用一周期过零比相一次的位移测量方法，该方法在进行动态测量时，时栅等时间测量的空间采样间隔会随被测对象的运动速度变化而变化，当被测对象的运动速度快时，空间采样间隔大，当被测对象的运动速度慢时，空间采样间隔小，也就是说，这种测量方法存在测量值不连续和不同速度下分辨率发生变化的问题。

公开号为CN101082507A，名称为利用时栅位移传感器实现数控转台角位移预测测量的方法的专利中，公开了一种预测测量方法，其能解决低速、低加速度的时栅测量值转换为连续空间测量值的问题，但是在高速、高加速度的测量环境下进行精密测量时，用预测测量方法难以建立准确的数学模型，也将难以实现高速与高分辨率时栅位移测量的目标。

因此，需要针对直驱电机在定位系统中，经历启动、加速、匀速、减速等变速阶段在采用等时间采样所带来的测量分辨率随速度发生变化的问题，提出一种可靠的解决方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于动态预测插值重采样的时栅位移高速高精度测量方法，通过基于动态预测插值的重采样算法将等时间采样转换为等空间采样，从而可解决时栅传感器的测量分辨率随速度发生变化的问题，使时栅传感器在变速阶段采集的数据具有足够的分辨率，保证其测量精度，扩大时栅传感器在数控领域的推广应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于动态预测插值重采样的时栅位移高速高精度测量方法，该方法首先在单个行波信号的周期内采集最近n个时间差Δt和定测头的周期T；根据采集的时间差Δt和定测头的周期T计算被测量x，并将计算得到的n个被测量x组成等时间采样序列；采基于用动态预测插值的重采样将等时间采样序列转换为等空间间隔的序列，再将该等空间间隔的序列输入脉宽调制单路中得到等空间脉冲，从而避免测量分辨率随速度发生变化，保证时栅传感器的测量精度。

其中，被测量x的计算方式为：

式中，w表示极距，m表示极对数。

进一步的，采基于用动态预测插值的重采样将等时间采样序列转换为等空间间隔的序列包括：在等时间采样序列中，由于在速度变化的过程中等时间采样序列的数据会存在间断或缺失，则通过动态预测插值来填充这些间断或缺失的数据，以确保数据的连续性；通过动态预测插值后，等时间采样序列的数据被转化为速度信息，然后根据速度变化实时调整采样率并重采样具有速度信息的数据，从而将变速度数据转换为等空间间隔的数据，得到等空间间隔的序列。

将等时间采样得到的数据进行内插，可在速度较大的情形下获取更多、更平滑的数据点。其中，动态预测插值法可以采用样条插值、线性插值、拉格朗日插值、卡尔曼滤波或者牛顿插值法等插值法中的一种。

进一步的，将该等空间间隔的序列输入脉宽调制单路中得到等空间脉冲包括：将等空间间隔的序列进行归一化，然后将归一化后的等空间间隔的序列根据预设阈值和周期转化为PWM信号，从而得到等空间脉冲。

进一步的，参数n的值根据测量分辨率的需求来确定。

本发明的有益效果在于：本发明通过动态预测插值的重采样将采样得到的无序位置量序列转换为等空间间隔的序列，实现了将等时间采样转换为等空间采样，能够解决时栅传感器高速应用的时-空不同步问题以及测量分辨力随速度变化的问题，拓展了时栅位移测量方法在全速度域内的应用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提出的基于动态预测插值重采样的时栅位移高速高精度测量方法流程示意图；

图2为本发明实施例提出的实现时栅位移高速高精度测量方法信号处理系统结构框图；

图3为动态预测插值重采样的原理示意图；

图4为脉宽调制电路中得到等空间脉冲的原理示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

针对直驱电机在定位系统中，经历启动、加速、匀速、减速等变速阶段在采用等时间采样所带来的测量分辨率随速度发生变化以及等空间输出的问题，本发明提出采用动态预测插值的重采样方法，从而将等时间采样转化为等空间采样。

如图1所示，为本发明一实施例提出的基于动态预测插值重采样的时栅位移高速高精度测量方法，其内容具体如下：

1)时栅每隔时间t0采样一次运动部件当前的绝对位移量，因此在单个行波信号的周期内采集最近n个时间差Δt和定测头的周期T，其中，n可以根据测量分辨率的要求确定，比如简单的取过零点或者峰值测量特征值n＝4。

则采集得到的n个Δt和T可记为Δt₁,Δt₂,Δt₃,Δt₄以及T₁,T₂,T₃,T₄。

2)根据测量公式得到被测量x：

式中，w表示极距，m表示极对数。则根据采集到的4个Δt和T，得到序列{x₁,x₂,x₃,x₄}。

3)根据动态预测插值的重采样将无序位置序列变换为等间隔的序列{x′₁,x′₂,x′₃,x′₄}。

具体地，如图3所示，根据计算出的位移量，如果数据在速度变化过程中存在间断或缺失，可以进行插值来填充这些空隙，来确保数据的连续性。将插值后的数据转换为对应的速度信息，这可以通过计算两个连续数据点之间的速度来实现。基于估算的速度信息，调整采样率以适应变速度运动。速度越高，采样率可能需要增加以保持足够的分辨率。根据速度变化实时调整采样率，确保数据在高速度和低速度下能获得足够的分辨率，最终的重采样过程将变速度数据转换为等间隔的数据，并输出用于反馈。

4)将序列{x′₁,x′₂,x′₃,x′₄}输入到脉宽调制电路得到等空间脉冲。

如图4所示，本实施例通过在程序中对空间均分的数据进行均一化，确保其范围在PWM信号的周期内，然后设置PWM信号的周期和阈值等参数。在程序中根据均一化后的数据和阈值生成PWM信号，将生成的PWM信号输出到相应的输出引脚，通过软件控制脉冲信号的输出，从而得到等空间脉冲，该等空间脉冲可用于与数控产品对接使用。。

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)

1.一种基于动态预测插值重采样的时栅位移高速高精度测量方法，其特征在于：该方法包括：首先在单个行波信号的周期内采集最近n个时间差Δt和定测头的周期T；根据采集的时间差Δt和定测头的周期T计算被测量x，并将计算得到的n个被测量x组成等时间采样序列；采用基于动态预测插值的重采样将所述等时间采样序列转换为等空间间隔的序列，再将该等空间间隔的序列输入脉宽调制电路中得到等空间脉冲，从而避免测量分辨率随速度发生变化，保证时栅传感器的测量精度。

2.根据权利要求1所述的时栅位移高速高精度测量方法，其特征在于：所述被测量x的计算方式为：

式中，w表示极距，m表示极对数。

3.根据权利要求1所述的时栅位移高速高精度测量方法，其特征在于：采用基于动态预测插值的重采样将所述等时间采样序列转换为等空间间隔的序列包括：在所述等时间采样序列中，由于在速度变化的过程中所述等时间采样序列的数据会存在间断或缺失，则通过动态预测插值来填充这些间断或缺失的数据，以确保数据的连续性；通过动态预测插值后，所述等时间采样序列的数据被转化为速度信息，然后根据速度变化实时调整采样率并重采样具有速度信息的数据，从而将变速度数据转换为等空间间隔的数据，得到所述等空间间隔的序列。

4.根据权利要求1所述的时栅位移高速高精度测量方法，其特征在于：所述将该等空间间隔的序列输入脉宽调制单路中得到等空间脉冲包括：将所述等空间间隔的序列进行归一化，然后将归一化后的等空间间隔的序列根据预设阈值和周期转化为PWM信号，从而得到等空间脉冲。

5.根据权利要求1所述的时栅位移高速高精度测量方法，其特征在于：参数n的值根据测量分辨力的需求来确定。