專利名稱：一種基于雙碼盤的低速測量方法
技術領域：
本發明涉及一種電機的位置和速度測量方法，屬于運動伺服技術領域。
技術背景速度和位置控制系統的性能在很大程度上取決于反饋信號的精度，位置反饋由位置傳感 器實現，高精度的定位要求高分辨率的位置傳感器。同時系統通過對位置信息的微分處理也 可以得到速度等其它信息。目前常用的位置傳感器有旋轉變壓器、光電編碼器、磁編碼器(如 磁尺)、感應同步器、光柵等，其中增量式光電編碼器由于精度好、成本低廉、使用方便等優 點在調速、伺服等控制領域應用最為廣泛。這種增量式碼盤對位置和速度的測量精度主要取決于每圈的線數即刻度數N，碼盤的角測量精度即為E。因此，碼盤線數越高，其精度也TV越好。由于加工技術的限制，常用碼盤每圈的刻度線一般在幾百線到幾千線之間，超過4000 線的碼盤信號的可靠性開始下降，同時其制作成本也開始急劇上升，限制了碼盤測速精度的 進一步提高。如何在常規碼盤上實現更高精度的速度、位置反饋一直是高精度伺服、調速系 統研究中的一個熱點問題。人們先后提出的各種改進算法都不能從根本上真正突破碼盤1個 脈沖的精度，即電機速度的動態突變過程并不能以更高的精度被瞬時檢測到。以此為基礎實 現的伺服系統低速區只能在穩態下保持平穩運行，在負載突變等動態過程中由于速度反饋動 態響應慢而造成轉速不穩和剛性不夠，無法實用。目前已有專利200610200317. 5中提出用簡單編碼器提高普通直流電機驅動精度和可靠性 的方法。用直流電機帶減速箱，減速箱上再接碼盤，取碼盤信號給控制器來判斷電機轉停。 這種方法是將碼盤移到工作軸上來代替伺服電機或步進電機的連續速度控制，以犧牲精度來 獲得對工作軸的直接控制，并不能提高碼盤的角分辯精度。目前已有專利200410022609. 5中提出一種電機低速運行時使用脈沖編碼器的測速方法， 用的是一種估計的算法，根據外延計算方法計算的最高可能速度外延曲線和經驗的估計方法 結合，得到較準確的速度估計值。在一、二個編碼器脈沖間的時間間隔T，計算這段時間的 平均速度C/T，在第三個脈沖未到時，估算當前速度C/(T+At)/N (N取經驗值)，得到當前電 機轉速。這種方法不能從根本上真正突破碼盤l個脈沖的精度，即電機速度的動態突變過程 并不能以更高的精度被瞬時檢測到，只能用于平穩轉速的估算。目前已有專利200310115538. 9中發明一種高精度低速雙軸伺服測試用的測試轉臺，采用 間接驅動、多傳感器檢測系統來解決大慣性、超低速度和高精度的矛盾，實現系統的高精度 低速控制。但上述方法需要多個功率傳動軸和多個碼盤，系統復雜，成本高昂，只適用于導 航等專用領域。 發明內容本發明的目的在于提供了一種基于雙碼盤的低速測量方法，以提高低分辨率的位置傳感 器的位置反饋精度，實現電機在低速下的高精度控制。從根本上真正突破碼盤1個脈沖的精 度，即電機速度的動態突變過程能以更高的精度被瞬時檢測到。以此為基礎實現的伺服系統 低速區能在穩態下保持平穩運行，在負載突變等動態過程中由于速度反饋精度的提高，使其 不會出現由于響應慢而造成轉速不穩和剛性不夠的現象，增強實用性。本發明的技術方案如下一種基于雙碼盤的低速測量方法，其特征在于該方法包括如下步驟1) 在需要進行轉速和位置測量的軸上安裝固定第一個碼盤作為主碼盤，提供高速 測量區的轉速和位置信號；第二個碼盤通過一個增速軸與需測量的軸相連接，作為輔碼盤， 提供低速區的轉速和位置信息；2) 主碼盤發出的脈沖信號通過增速軸傳入輔碼盤；使輔碼盤的碼盤線數為主碼盤 碼盤線數的k倍，其中k為增速軸的增速比；3) 將兩路碼盤輸入信號輸入含有軟件控制程序的控制器中，對主、輔兩組碼盤輸 入的脈沖信號進行綜合容錯處理a. 將主碼盤的輸出脈沖作為輔碼盤輸出脈沖的校準信號，然后進行判斷如 果碼盤信號無干擾，那么判斷主碼盤每輸出一個脈沖信號是否對應于輔碼盤的k個輸出脈沖 信號，如果滿足此條件，那么用輔碼盤輸出的脈沖信號進行速度和位置計算；b. 如果不滿足此條件，則改用主碼盤輸出的脈沖信號進行位置和速度測量，累 計不滿足條件的次數，當這一累計次數超過給出的范圍時給出碼盤故障報警，從而實現電機 的低速測量。在上述方案中，所述的主碼盤和輔碼盤采用增量式碼盤。增量軸選擇常用的1一2級減速器實現，所述的k為1 100。本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果通過主、輔兩組碼盤輸入脈沖信號的綜合容錯處理，可以得到很寬的低速測量范圍，并 能通過碼盤信號的對比校正提高反饋信號的可靠性，本方法中切換采用輔碼盤提供的輔助脈沖信息進行速度和位置測量，輔碼盤對應于主碼盤的l個脈沖可以輸出k個脈沖，可將瞬時 位置和速度測量精度提高k倍。突破了常規碼盤l個脈沖下的精度，即電機軸速度的動態突變過程能以更高的精度被瞬時檢測到。本發明實現了低速下電機的高性能控制，保證在低速下(0—lr/min調速范圍)還能保持平穩的驅動和正常的帶載能力。與現有技術相比，本發 明能用較低成本碼盤和小功率低成本增速器組合實現高精度的速度位置檢測，非常適用于高 性價比的高端伺服驅動系統開發。方案中由于主、輔碼盤輸出的脈沖信號是通過盤片刻線的 旋轉頻率獲得，提供連接的增速軸也無需傳遞功率，碼盤反饋信號的實時性和準確性都比較 好，速度檢測沒有延遲，瞬時觀測。本發明結構簡單，容易在工程上實現，可望在工業機器 人、數控機床、火炮、雷達、導航系統等高性能驅動中得到廣泛的推廣。
圖1為雙碼盤測速裝置硬件連接圖。 圖2為軟件容錯處理流程框圖。l一主碼盤；2 —輔碼盤；3 —增速軸；4一控制器；5—電機。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的原理具體實施方式
作進一步的說明。圖l為雙碼盤測速裝置硬件連接圖，以一臺電機控制系統為例，這種新型測量裝置由主碼盤1、輔碼盤2、增速軸3和控制器4和電機5組成，主碼盤和輔碼盤通過一個k倍的增速 軸3連接。主碼盤和輔碼盤采用增量式碼盤。 本發明的具體實施方法如下首先在需要進行轉速和位置測量的軸上安裝固定第一個碼盤作為主碼盤1，提供高速測量區的轉速和位置信號；第二個碼盤通過一個增速軸3與需測量的軸相連接，作為輔碼盤2，提供低速區的轉速和位置信息；從增量式碼盤的工作原理可知，碼盤盤片上有呈環形分布的均勻通透刻線，可使光線透過。旋轉部分中間軸與待測旋轉軸即電機軸相聯。當盤片轉動時，光電接收裝置處將得到時通時暗的光脈沖信號，該信號頻率與盤片刻線旋轉頻率一致，每產生一個輸出脈沖信號就對應一個位移角增量，選用市場上常用的低精度M線的碼盤，主碼盤輸出的每一個脈沖表示的角增量A^為A"， M增速軸3聯接在電機轉動軸上，增速軸3輸出端的轉速是電機的k倍，當電機軸轉動一定 角度時主碼盤發出一個脈沖信號，輔碼盤將產生k個輸出脈沖信號，對應k個位移角增量。 采用本方法相當于電機在低速時接入一個MXk個脈沖/轉的碼盤，每一個脈沖表示的角增量A^且將兩路碼盤輸入信號輸入含有軟件控制程序的控制器中，對主、輔兩組碼盤輸入的脈沖 信號進行綜合容錯處理如果碼盤信號無干擾，當主碼盤的反饋信號低于l個脈沖，輔碼盤輸出小于k個脈沖，使碼盤的測量范圍從原來的0 M個脈沖/轉的范圍擴大到0 MXk個脈沖/轉。此時主碼盤反 饋脈沖作為輔碼盤轉速和位置測量信號的校準信號，判斷主碼盤每輸出一個脈沖信號是否對 應于輔碼盤的k個輸出脈沖信號，
a. 如果滿足此條件，那么用輔碼盤輸出的脈沖信號進行速度和位置計算；通過主、 輔兩組碼盤輸入脈沖信號的組合處理，可以得到很寬的低速測量范圍；b. 如果不滿足此條件，則改用主碼盤輸出的脈沖信號進行位置和速度測量，累計不 滿足條件的次數，當這一累計次數超過給出的范圍時給出碼盤故障報警，從而實現電機的低 速測量。由上可知主碼盤發出的脈沖信號通過增速軸傳入輔碼盤，輔碼盤相應碼盤線數可 提高k倍，其中k為增速軸的增速比。兩路碼盤輸入信號輸入控制器，本發明裝置成倍數提 高了一個碼盤所能分辨的最小的轉角度。完全滿足軟件算法對反饋脈沖信號的要求，實現了 低速下電機的高性能控制。
權利要求
1. 一種基于雙碼盤的低速測量方法，其特征在于該方法包括如下步驟-1) 在需要進行轉速和位置測量的軸上安裝固定第一個碼盤作為主碼盤(1)，提供 高速測量區的轉速和位置信號；第二個碼盤通過一個增速軸與需測量的軸相連接，作為輔碼 盤(2)，提供低速區的轉速和位置信息；2) 主碼盤發出的脈沖信號通過增速軸傳入輔碼盤；使輔碼盤的等效線數為主碼盤 碼盤線數的k倍，其中k為增速軸的增速比；3) 將兩路碼盤輸入信號輸入含有軟件控制程序的控制器中，對主、輔兩組碼盤輸 入的脈沖信號進行綜合容錯處理a. 將主碼盤的輸出脈沖作為輔碼盤輸出脈沖的校準信號，然后進行判斷如 果碼盤信號無干擾，那么判斷主碼盤每輸出一個脈沖信號是否對應于輔碼盤的k個輸出脈沖 信號，如果滿足此條件，那么用輔碼盤輸出的脈沖信號進行速度和位置計算；b. 如果不滿足此條件，則改用主碼盤輸出的脈沖信號進行位置和速度測量，累 計不滿足條件的次數，當這一累計次數超過給出的范圍時給出碼盤故障報警，從而實現電機 的低速測量。
2. 按照權利要求1所述的一種基于雙碼盤的低速測量方法，其特征在于所說的主碼盤 和輔碼盤采用增量式碼盤。
3. 按照權利要求1或2所述的一種基于雙碼盤的低速測量方法，其特征在于增量軸選 擇1一2級減速器實現，所述的k為l 100。
全文摘要
一種基于雙碼盤的低速測量方法，屬于運動伺服技術領域。這種測量方法采用主、輔2個碼盤組合測量轉速和位置變化，主碼盤提供高速測量區的轉速和位置信號，輔碼盤提供低速區的轉速和位置信息，主碼盤的反饋脈沖信號作為輔碼盤轉速和位置測量信號的校準信號；通過主、輔兩組碼盤輸入脈沖信號的綜合容錯處理，得到很寬的低速測量范圍，同時通過碼盤信號的對比校正提高反饋信號的可靠性，系統的等效碼盤線數可以提高k倍(k為增速軸的增速比)。本發明比采用同規格碼盤實現更高精度的位置和速度測量，可運用于高精度電機調速控制系統。
文檔編號G01B7/30GK101144702SQ200710175259
公開日2008年3月19日 申請日期2007年9月28日 優先權日2007年9月28日
發明者娥 吳, 曦 肖 申請人:清華大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
