[發明專利]一種光學增量編碼器數據處理系統及方法

在審

• 申請號: 202010214942.5
• 申請日: 2020-03-24
• 公開（公告）號: CN111337702A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 陳陽
• 申請（專利權）人: 深圳市微秒控制技術有限公司
• 主分類號: G01P3/36
• 分類號: G01P3/36;G01D5/36
• 代理公司: 深圳市凱卓盛世知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 44672
• 代理人: 曹明蘭

本發明公開了一種光學增量編碼器數據處理系統及方法，包括：基準脈沖模塊、AB相脈沖計數器、AB相脈沖前端計數器、AB相脈沖后端計數器、卡爾曼濾波器、高轉速計算模塊及轉速輸出模塊，轉速輸出模塊用于根據固定周期內AB相脈沖計數器的計數值進行選擇：如果AB相脈沖計數器的計數值≥2，則認定編碼器的轉速位于高速區間，轉速輸出模塊將高轉速計算模塊計算得到的轉速數據輸出，并將該轉速數據發送至卡爾曼濾波器進行測量更新；如果AB相脈沖計數器的計數值＜2，則認定編碼器的轉速位于高速區間，轉速輸出模塊將卡爾曼濾波器預測的轉速數據輸出。本發明在每個固定周期都能產生有效轉速數據，可有效提高轉速計算精度，進而滿足伺服控制要求。

技術領域

本發明涉及光學增量編碼器，尤其涉及一種光學增量編碼器數據處理系統及方法。

背景技術

現有技術中，為實現伺服電機的高性能控制，需要采集電機編碼器數據，通過對數據進行處理，獲取電機的轉速信息，作為控制環路的反饋。目前常用的伺服電機光學編碼器有模擬量、通訊和增量脈沖三種數據輸出方式。其中，模擬量輸出需要后端增加信號細分電路，增加成本，還容易受到干擾；通訊輸出則是依據某種協議實現控制器和編碼器之間的通訊，沒有分辨率的限制，一般采用數字接口，由于內部需要處理器和AD對編碼器的原始數據進行預處理，成本要高一些；增量脈沖輸出一般只需要對碼盤原始信號進行整形即可發出，成本最低，但受到碼盤刻線分辨率和脈沖輸出頻率的限制，無法達到很高的數據分辨率。

實際應用中，光學增量編碼器成本較低，應用比較廣泛。編碼器碼盤上有兩條相位相差90度的碼道，稱之為A、B相。編碼器內部光源發出光線照射碼盤，編碼器旋轉時，光電傳感器接收到的光強度會由于碼盤上對應碼道的遮擋出現明暗變化，光電傳感器輸出相應的模擬信號，這兩個模擬信號接近于正余弦信號，經后級電路施密特整形，變成兩個相位相差90度的方波信號，發送給伺服驅動器。

對于伺服驅動器而言，一般使用CPU的計數器外設或者使用FPGA編寫對應的計數模塊對AB相脈沖信號進行處理，請參見圖1，一般是采用M法、T法或者M/T結合的方法測量轉速。這些測試方法都需要以一個已知周期的高頻脈沖作為時間基準，其中，M法的通過高頻脈沖設定一個固定的時間間隔，通過采集時間間隔內的AB相脈沖計算轉速；T法則是借助高頻脈沖對一個AB相脈沖的周期進行計數進而計算出轉速；M/T法結合了M法與T法的特點，通過高頻脈沖對M個AB相脈沖的周期進行計數，進而計算出轉速。

綜上所述，現有技術主要存在以下問題：

高速時，M法或者M/T法精度優于T法。M法有一個固定的數據更新周期，直接采集計數周期內的AB相脈沖的個數來計算轉速，但由于AB相脈沖是隨機出現的，在一個固定的測速周期內，AB相脈沖的跳變沿并不是剛好與測速周期的開始和結束時間點契合，這樣計算轉速，就丟失了一部分轉速的有效信息；而對于M/T法，數據更新頻率取決于M值的選取，數據的更新時刻是第M個脈沖跳變沿，伺服控制的速度環希望以一個固定的周期獲取最新的轉速信息，M/T法的數據更新時刻與速度環不同步。

低速時，AB相脈沖可能很長時間都不會出現跳變，這樣不管是M法、T法還是M/T法，轉速數據有可能一直不更新，而伺服電機控制中速度環的計算頻率是固定的，反饋速度值不更新會導致轉速閉環控制失效，電機低速運行時性能劣化。

若提高碼盤的分辨率以及提高AB相脈沖發送和接收電路的帶寬，會導致成本上升，且無法完全解決上述問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的不足，提供一種使每個固定周期都能產生有效轉速數據、可提高轉速計算精度、能保證固定的轉速更新周期，進而滿足伺服控制要求的光學增量編碼器數據處理系統及方法。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案。