一种编码器动态测角误差标定方法及系统

技术领域

本发明涉及仪器测量与应用技术领域，尤其涉及一种编码器动态测角误差标定方法及系统。

背景技术

编码器作为一种集光学、机械及电子学于一体的高精度测量仪器，已广泛应用于数控机床、智能机器人、测量仪器、光电经纬仪、航空相机及空间机械臂等工业、航空航天领域，涉及民用与军工产品，多作为系统闭环控制的关键测量器件而使用。因此，编码器测量的精度将直接影响系统控制性能，进而影响产品整体性能。根据编码器的组成与工作原理，不可避免的存在各种影响其测量精度的误差因素。特别地，在运动状态下因编码器电子器件的细分测量延迟及幅频响应动态误差使得其测角误差相比静态时增大很多，测量精度显著下降，难以满足系统或产品高精度测量需求。

因此为了克服这些缺陷，本申请提出了一种编码器动态测角误差标定方法及系统。

发明内容

本申请的目的是提供一种编码器动态测角误差标定方法及系统，旨在解决编码器在运动状态下测量精度下降的问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请提供一种编码器动态测角误差标定方法，包括：

获取编码器动态测角误差先验信息；

获取编码器动态测角误差后验信息；

根据所述先验信息与所述后验信息建立误差标定模型；

采用最小二乘法识别所述误差标定模型的待定参数，完成标定。

进一步的，在获取编码器动态测角误差先验信息的步骤中，具体包括下述步骤：

分别计算编码器运动时测角产生的细分迟滞误差、动态响应误差与轴系晃动误差；

所述细分迟滞误差θ

θ

其中ω为编码器转速，t

所述动态响应误差θ

其中A为两路相位差90°的精码信号幅值；ΔA为两信号幅值之差，Δx、Δy为两路精码信号直流分量变动量；α

所述轴系晃动误差θ

其中A

进一步的，在获取编码器动态测角误差后验信息的步骤中，具体包括下述步骤：

设编码器在不同转速ω

其中k、q分别为转速维度、转角维度频谱横坐标。

进一步的，在根据所述先验信息与所述后验信息建立误差标定模型的步骤中，具体包括下述步骤：

建立两维傅里叶级数的误差标定模型：

其中a

由于上式中的ω、θ取值范围为[-π,π]，故进行如下变换：

其中ω

其中

进一步的，在采用最小二乘法识别所述误差标定模型的待定参数，完成标定的步骤中，具体包括下述步骤：

将(w

观测方程组可简记为：

AX＝d

采用最小二乘法对观测方程组求解，识别所述误差标定模型的待定参数为：

X＝(A

其中A为观测方程组系数矩阵，X为待求模型参数向量，d为观测向量。

进一步的，所述先验信息为编码器的精码细分数n，以此确定动态测角误差谐波分量；所述后验信息为对数据频谱分析得到的频谱峰值节点。

进一步的，所述误差标定模型由一簇两维三角函数组成的傅里叶级数建立。

本申请提供一种编码器动态测角误差标定系统，包括：

获取模块：获取编码器动态测角误差先验信息；获取编码器动态测角误差后验信息；

建立模块：根据所述先验信息与所述后验信息建立误差标定模型；

标定模块：采用最小二乘法识别所述误差标定模型的待定参数，完成标定。

本申请提供一种设备，所述设备包括处理器、与所述处理器耦接的存储器，其中，所述存储器存储有用于实现一种编码器动态测角误差标定方法的程序指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的所述程序指令以实现一种编码器动态测角误差标定。

本申请提供一种存储介质，存储有处理器可运行的程序指令，所述程序指令用于执行一种编码器动态测角误差标定方法。

本申请提供了一种编码器动态测角误差标定方法及系统，具有以下有益效果：

本申请基于编码器动态测角误差的组成与分类，根据编码器的硬件组成获取先验信息，再结合对编码器实测动态测角误差数据的后验频谱分析，建立以两维三角函数为基函数的傅里叶级数误差标定模型，然后基于实测动态测角误差数据，采用最小二乘法识别误差标定模型中的待定参数，进而完成编码器动态测角误差的标定。本申请提出的方法可有效降低编码器旋转运动时的测角误差，提升测量精度，为编码器的精确测量提供理论与方法支持。

附图说明

图1为本申请实施例1的一种编码器动态测角误差标定方法的流程示意图；

图2为本申请实施例1的一种编码器动态测角误差标定方法的流程框图；

图3为本实施例1的动态测角误差原始数据示意图；

图4为本申请实施例1的动态测角误差数据后验频谱分析结果示意图；

图5为本申请实施例1的动态测角误差标定拟合结果示意图；

图6为本申请实施例1的动态测角残差示意图；

图7为本申请实施例2的一种编码器动态测角误差标定系统的结构示意图；

图8本申请实施例3的设备结构示意图；

图9为本申请实施例4的存储介质结构示意图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

实施例1

请参阅图1和图2，分别为本申请实施例1的一种编码器动态测角误差标定方法的流程示意图和流程框图；步骤包括：

S1：获取编码器动态测角误差先验信息。

在本实施例中，分析编码器组成与工作原理知，因部分电子学元件、电气或电磁惯性迟滞及光机结构零件存在加工、装调偏差，则分别计算编码器运动时测角产生的细分迟滞误差、动态响应误差与轴系晃动误差；

所述细分迟滞误差θ

θ

其中ω为编码器转速，t

所述动态响应误差θ

其中A为两路相位差90°的精码信号幅值；ΔA为两信号幅值之差，Δx、Δy为两路精码信号直流分量变动量；α

所述轴系晃动误差θ

其中A

可以理解，动态测角误差具体包括：与转速成正比的直流分量；与转速、转角位置有关的长周期误差、n次谐波误差、2n次谐波误3n次谐波误差、4n次谐波误差及8n次谐波误差，其中n为精码细分数，对于本实施例中的编码器n＝256。

S2：获取编码器动态测角误差后验信息。

在本实施例中，请参阅图3，为本实施例1的动态测角误差原始数据示意图；设编码器在不同转速ω

请参阅图4，为本申请实施例1的动态测角误差数据后验频谱分析结果示意图；将d

其中k、q分别为转速维度、转角维度频谱横坐标。

S3：根据所述先验信息与所述后验信息建立误差标定模型。

在本实施例中，综合先验谐波信息与后验频谱峰值节点信息，建立两维傅里叶级数的误差标定模型：

其中频率成分由先验谐波频点及后验峰值频点组成，a

由于上式中的ω、θ取值范围为[-π,π]，故进行如下变换：

其中ω

其中

S4：采用最小二乘法识别所述误差标定模型的待定参数，完成标定。

在本实施例中，将(w

观测方程组可简记为：

AX＝d

采用最小二乘法对观测方程组求解，识别所述误差标定模型的待定参数为：

X＝(A

其中A为观测方程组系数矩阵，X为待求模型参数向量，d为观测向量。

请参阅图5，为本申请实施例1的动态测角误差标定拟合结果示意图。将待定参数及实测动态误差数据代入误差标定模型中，可得到编码器动态测角误差标定拟合结果。

请参阅图6，为本申请实施例1的动态测角残差示意图。用编码器实测动态误差数据与标定拟合结果作差，可得编码器动态测角残差。对比图6与图3可知，编码器动态测角误差得到有效标定，动态测角精度显著提升。

综上所述，本申请实施例1基于编码器动态测角误差的组成与分类，根据编码器的硬件组成获取先验信息，再结合对编码器实测动态测角误差数据的后验频谱分析，建立以两维三角函数为基函数的傅里叶级数误差标定模型，然后基于实测动态测角误差数据，采用最小二乘法识别误差标定模型中的待定参数，进而完成编码器动态测角误差的标定。本申请提出的方法可有效降低编码器旋转运动时的测角误差，提升测量精度，为编码器的精确测量提供理论与方法支持。

实施例2

请参阅图7，为本申请实施例2的一种编码器动态测角误差标定系统的结构示意图；具体内容包括：

获取模块：获取编码器动态测角误差先验信息；获取编码器动态测角误差后验信息；

建立模块：根据所述先验信息与所述后验信息建立误差标定模型；

标定模块：采用最小二乘法识别所述误差标定模型的待定参数，完成标定。

实施例3

请参阅图8，为本申请实施例3的设备结构示意图。该设备50包括处理器51、与处理器51耦接的存储器52。

存储器52存储有用于实现上述一种编码器动态测角误差标定方法的程序指令。

处理器51用于执行存储器52存储的程序指令以实现一种编码器动态测角误差标定。

其中，处理器51还可以称为CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)。

处理器51可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器51还可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(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。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

实施例4

请参阅图9，为本申请实施例4的存储介质结构示意图。本申请实施例的存储介质存储有能够实现上述所有方法的程序文件61，其中，该程序文件61可以以软件产品的形式存储在上述存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，或者是计算机、服务器、手机、平板等设备。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。

当然，本发明还可有其它多种实施方式，基于本实施方式，本领域的普通技术人员在没有做出任何创造性劳动的前提下所获得其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。