连续运动高精度全参数检测方法技术

一种连续运动高精度全参数检测方法，属于运动测量技术领域中涉及的一种实现连续运动的位置、速度和加速度高精度全面测量的方法。本发明专利技术要解决的技术问题是：对光电编码器输出的脉冲信号进行处理，在不改变编码器物理结构的前提下，提高其分辨率，实现全参数高精度检测。解决的技术方案是：分为基础位置测算、速度测算、建立速度预测函数、精确的位置测算、瞬时速度测算、加速度测算、建立加速度预测函数、瞬时加速度测算八个步骤。通过基于高频时钟计数和时间数字转换技术进行高精度计时，并自适应地调整检测周期，得到高精度的速度。在此基础上，通过建立速度和加速度预测函数精确测算位置、瞬时速度和加速度。可用于低成本高性能运动检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种运动参数检测方法，尤其是一种利用光电编码器对连续运动参数 如位置、速度、加速度进行高精度检测的方法，具体地说是一种连续运动高精度全参数检测 方法。
技术介绍
目前，光电编码器(如光栅尺、光电编码盘等)是运动检测中常用的一种实现直线 位移或轴角位置检测的装置。在检测过程中，脉冲编码器对原始检测得到的连续正/余弦 模拟信号进行数字化整形，再以输出脉冲的形式来反映被检测的运动部件的位置变化，所 输出脉冲的数目与位置变化量成正比。在一定的位移范围内，输出脉冲的数量越多，意味着 编码器的分辨率越高，或者说具有越高的位置检测精度。由于精确的位置和速度检测是构 成闭环反馈控制的前提和基础，因此脉冲编码器的位置检测精度和速度检测精度直接决定 着运动控制系统的控制精度。根据位置与速度的物理关系，脉冲编码器可用于速度和加速度的间接测量。目前 常用的测算方法如图1所示，通过位置增量除以检测周期测算速度，再通过速度变化量除 以检测周期测算加速度，整个测算过程是单方向的，不带反馈修正，且所用的时间参数—— 检测周期Ts是一个固定的预置值，并非实际检测值，因此测算结果必然存在很大误差。为了提高编码器的位置检测精度，目前通常采用的方法如下1)增大编码器的刻线密度。这种方法可以直接提高编码器的位置检测精度，但由 于刻线工艺水平和物理因素的限制，随着刻线密度的增加，已经变得越来越困难。这使得高 位置检测精度编码器价格昂贵，难以在一般伺服控制系统中普及应用。2)电子学细分法这一方法是对原始检测得到的连续正/余弦信号进行细分，并通过相位或幅值的 鉴别进行编码。由于原始检测得到的模拟信号并非理想波形，而是混有许多噪声，细分之后 噪声也被放大了，结果无法根据相位或幅值区分相邻的两个细分信号，从而导致错误的脉 冲输出。3)光学细分法这一方法是通过光学系统对原始信号进一步放大从而提高位置检测精度，如二次 莫尔条纹法和基于激光的衍射干涉法等。光学细分方法具有非接触、寿命长、不受电磁场干 扰等很多优点，但这种方法需要一套结构复杂、价格昂贵的光学系统，因而其使用范围受到 了很大的限制。4)机械细分法这一方法是通过机械升速传动装置将旋转或摆动进给轴与传感装置旋转轴连接 起来，利用传动装置的升速比，增大角度检测装置的旋转角度，从而提高检测位置检测精 度。由于该方案中引入机械传动链，存在传动间隙和机械变形，会导致脉冲输出不均勻、误 差较大等情况。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前普通光电编码器进行运动参数检测时精度不高，而高精 度光电编码器又存在成本高、投资大、实用性差的问题，专利技术一种基于高精度计时器和普通 光电编码器的。本专利技术的技术方案是一种，其特征是利用光电编码器作为基本检测元 件，配以高精度计时器作为检测函数建立和检测采样时刻的计时工具，通过以下步骤分别 完成运动位置、速度和加速度的高精度测算首先，采用脉冲计数器对光电编码器输出的脉冲信号进行计数，记录下本次检测 开始时的脉冲数Nh以及经过给定的检测周期后检测结束时的脉冲数队，并用高精度计时 器测算出以编码器脉冲边沿为界的本次检测的实际检测周期Ts(i)。其次，将所测得的值代入下式计算出该检测周期内的速度\ 式中，5 p—光电编码器的脉冲当量；N,——检测周期结束时的脉冲数；Nh——检测周期开始时的脉冲数；Ts(i)——检测周期；第三步，建立速度预测函数重复第一、第二步测算出一系列速度数据(Vi_n…，，Vh，V,)，并根据所测得的速 度数据拟合出速度预测函数v(t)；第四步，运动位置测算以最近收到的编码器脉冲信号的上升沿对应的位置为参考位置，根据速度预测函 数v(t)与积分计算原理按以下公式计算确定位置 式中，SQ——参考位置；v(t)——速度预测函数；TP——采样时刻；Ta——最近的脉冲上升沿时刻；第五步，瞬时运动速度测算将高精度计时器测出的时间！；代入第三步建立的速度预测函数中，即可计算出采 样信号到达时刻TP对应的速度；第六步，加速度测算将检测周期Ts⑴内开始和结束时测算的速度差与检测周期Ts(i)相比即可得到加 速度值 式中，Hi——检测周期结束和开始时的速度测算值；TS⑴一一检测周期；第七步，建立加速度预测函数重复第六步得到一系列加速度测算历史数据(Ai_n…，，Ah，A》，然后拟合出加 速度预测函数a (t)；第八步，瞬时加速度测算将高精度计时器测出的采样时刻Tp代入第七步建立的 加速度预测函数中，即可计算出采样信号到达时刻Tp对应的加速度作为检测结果输出即可 获得所需的瞬时加速度。运动初始阶段，检测周期Ts⑴设为第一个脉冲上升沿至第二个检测脉冲上升沿之 间的时间间隔；此后，为使速度检测结果在很宽的速度范围内都具有高精度，可通过检测周 期调整器根据测算的速度值对检测周期进行自适应调整。调整方法是以编码器脉冲上升 沿为边界，将检测周期！；⑴设为连续收到1的整数)个编码器脉冲所经历的时间 间隔。如果本次测算出的速度值较大，则增大N值，即将下一次检测的截止时刻定在接收到 更多数量的编码器脉冲之后；如果本次测算出的速度值较小，则减小N值，即将下一次检测 的截止时刻定在接收到更少数量的编码器脉冲之后。检测周期Ts⑴的测量由高精度计时器完成，由编码器脉冲的上升沿触发高精度计 时器开始计时，当检测周期结束时，由最后一个脉冲的上升沿触发计时器停止计时；由于开 始计时与停止计时脉冲的边界与高精度计时器的高频时钟脉冲的边界可能并不对齐，为了 提高计算精度，可采用时间数字转换技术对检测周期进行修正，以修正后的检测周期代入 相应的公式进行计算。所述的时间数字转换技术修正后的检测周期Ts⑴的值为 _3] Ts⑴=Tn+I^H)-!；⑴=H+U⑴)x式中，X—时间数字转换的量化周期；Na(i_D、Na⑴——Ta(i_D和Ta⑴对应的量化周期数，用计数器测量；Ta(i_D——高频脉冲计时前端残差(小于一个高频时钟脉冲周期)；Ta(i)——高频脉冲计时后端残差(小于一个高频时钟脉冲周期)；T。——高频计时脉冲的周期；N。——Tn范围内测得的脉冲数，用计数器测量；Tn——高频脉冲计时得到的时间值(等于高频时钟周期整数倍)。本专利技术的有益效果1)采用低成本的编码器，借助高精度计时技术实现了任意时刻的高精度运动位置 检测；2)只用一个编码器就可同时输出高精度的位置、速度和加速度等多个运动参数；3)利用运动具有惯性、运动过程中位置脉冲之间的速度是相对缓慢变化的特点对 位置进行反馈修正，有效提高了位置检测精度；4)通过建立速度和加速度预测函数计算瞬时速度和瞬时加速度，减小延时偏差和 均化偏差，有效提高了速度和加速度的检测精度；5)应用过程中无需更换原有的编码器，可以无缝应用于各种精密检测设备或运动 控制系统中。附图说明图1为常规的测算位置、速度和加速度的流程图。图2为本专利技术的技术方案系统方框图。图3为本专利技术高精度计时的原理图。图4为本专利技术利用速度预测函数提高位置检测精度的计算原理图。图5为本专利技术的在伺服电机控制中的应用原理示意图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。如图2、3、4所示。一种，利用光电编码器作为基本检测元件，配以 高精度计时器1和检测周期调整器2作为检测函数建立和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连续运动高精度全参数检测方法，其特征是利用光电编码器作为基本检测元件，配以高精度计时器作为检测函数建立和检测采样时刻的计时工具，通过以下步骤分别完成运动位置、速度和加速度的高精度测算：首先，采用脉冲计数器对光电编码器输出的脉冲信号进行计数，记录下本次检测开始时的脉冲数Ｎ↓［ｉ－１］以及经过给定的检测周期后检测结束时的脉冲数Ｎ↓［ｉ］，并用高精度计时器测算出以编码器脉冲边沿为界的本次检测的实际检测周期Ｔ↓［ｓ（ｉ）］；其次，将所测得的值代入下式计算出该检测周期内的速度Ｖ↓［ｉ］：Ｖ↓［ｉ］＝δ↓［Ｐ］（Ｎ↓［ｉ］－Ｎ↓［ｉ－１］）／Ｔ↓［ｓ（ｉ）］式中，δ↓［Ｐ］－－光电编码器的脉冲当量；Ｎ↓［ｉ］－－检测周期结束时的脉冲数；Ｎ↓［ｉ－１］－－检测周期开始时的脉冲数；Ｔ↓［ｓ（ｉ）］－－检测周期；第三步，建立速度预测函数：重复第一、第二步测算出一系列速度数据（Ｖ↓［ｉ－ｎ］…，Ｖ↓［ｉ－２］，Ｖ↓［ｉ－１］，Ｖ↓［ｉ］），并根据所测得的速度数据拟合出速度预测函数ｖ（ｔ）；第四步，运动位置测算：以最近收到的编码器脉冲信号的上升沿对应的位置为参考位置，根据速度预测函数ｖ（ｔ）与积分计算原理按以下公式计算确定位置：Ｓ＝Ｓ↓［０］＋∫↓［Ｔ↓［ａ］］↑［Ｔ↓［ｐ］］ｖ（ｔ）ｄｔ式中，Ｓ↓［０］－－参考位置；ｖ（ｔ）－－速度预测函数；Ｔ↓［Ｐ］－－采样时刻；Ｔ↓［ａ］－－最近的脉冲上升沿时刻；第五步，瞬时运动速度测算：将高精度计时器测出的时间Ｔ↓［ｐ］代入第三步建立的速度预测函数中，即可计算出采样信号到达时刻Ｔ↓［Ｐ］对应的速度；第六步，加速度测算：将检测周期Ｔ↓［ｓ（ｉ）］内开始和结束时测算的速度差与检测周期Ｔ↓［ｓ（ｉ）］相比即可得到加速度值：Ａ↓［ｉ］＝（Ｖ↓［ｉ］－Ｖ↓［ｉ－１］）／Ｔ↓［ｓ（ｉ）］式中，Ｖ↓［ｉ］、Ｖ↓［ｉ－１］－－检测周期结束和开始时的速度测算值；Ｔ↓［ｓ（ｉ）］－－检测周期；第七步，建立加速度预测函数：重复第六步得到一系列加速度测算历史数据（Ａ↓［ｉ－ｎ］…，Ａ↓［ｉ－２］，Ａ↓［ｉ－１］，Ａ↓［ｉ］），然后拟合出加速度预测函数ａ（ｔ）；第八步，瞬时加速度测算：将高精度计时器测出的采样时刻Ｔ↓［ｐ］代入第七步建立的加速度预测函数中，即可计算出采样信号到达时刻Ｔ↓［ｐ］对应的加速度作为检测结果输出即可获得所需的瞬时加速度。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：游有鹏，罗福源，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]